[pt] ESTUDO NUMÉRICO DO RETORNO DE CHAMA EM ESCOAMENTOS LAMINARES EM TUBOS CIRCULARES

[en] NUMERICAL STUDY OF FLASHBACK IN LAMINAR FLOWS IN CIRCULAR TUBES

[pt] LEONARDO TCHEN HAO HANG WEI

[pt] COMBUSTAO

[pt] CHAMAS PRE MISTURADAS

[pt] RETORNO DE CHAMA

[pt] ESTUDO NUMERICO

[pt] ESCOAMENTO LAMINAR

[en] COMBUSTION

[en] PREMIXED FLAME

[en] FLASHBACK

[en] NUMERICAL STUDY

[en] LAMINAR FLOW

[pt] A combustão é um processo de extrema importância em diversas indústrias, servindo tanto para a geração de energia ou para a queima de gases nocivos ao meio ambiente como o metano. Durante a combustão, pode ocorrer o o fenômeno conhecido como retorno de chama (flashback), onde a chama se propaga a montante dentro do tubo. Esse fenômeno pode causar prejuízos financeiros e danos materiais caso a chama retorne para as tubulações pois os equipamentos de transporte de gases não é projetado para aguentar as elevadas temperaturas e pressões que a combustão implica. Em estudos recentes são realizadas adaptações de malha de acordo com o gradiente de temperatura para simular o processo de combustão. A cinética química detalhada vêm sendo empregada em análises mais recentes para melhor descrever as reações químicas. A influência de parâmetros como a velocidade do escoamento e a riqueza da mistura foram estudados com condições de contorno de parede adiabática e isotérmica para determinação do flashback. O presente trabalho destina-se a análise de chamas pré misturadas de metanoar quando ocorre flashback em tubos circulares. No início da simulação é imposto um perfil de temperatura determinado para fornecer a energia necessária para ocorrer a combustão e um perfil de velocidade do escoamento de Poiseuille na entrada do tubo. As equações resolvidas são as de estado dos gases ideais, continuidade, quantidade de movimento, de espécies químicas e de energia. São estudadas duas condições de contorno térmicas na parede, adiabática e isotérmica. Conforme a combustão ocorre, é realizada uma adaptação de malha baseada no gradiente de temperatura. A adaptação é necessária para descrever adequadamente as reações químicas mais rápidas, o que não ocorre numa malha mais grosseira. Os resultados mostram que o perfil de temperatura dentro do tubo para as paredes adiabáticas e isotérmicas diferem nitidamente devido a troca de calor. Também foi observado que a velocidade média do escoamento precisa ser maior do que a velocidade da chama plana para que não ocorra flashback.

[en] Combustion is an extremely important process in several industries, serving both to generate energy or to burn gases that are harmful to the environment such as methane. During combustion, the phenomenon known as flashback can occur, where the flame propagates upstream into the tube. This phenomenon may cause material damage if the flame returns to the pipelines because the gas transport equipment is not designed to withstand the high temperatures and pressures that combustion implies. In recent studies, mesh adaption are developed based on temperature gradient for simulation of combustion process. Detailed chemical kinetics has been used in more recent analyzes to better describe the chemical reaction. Influence of parameters such as mixing speed and equivalence ratio are analyzed with adiabatic and isothermal wall boundary conditions for flashback verification. The present work is aimed at the analysis of pre-mixed methane-air flames when flashback occurs in circular tubes. At the beginning of the simulation it is applied a determined temperature profile to supply the necessary energy to start the combustion and a speed profile of the Poiseuille flow in the entrance of the domain. The solved equations are those of ideal gas, continuity, momemtum, species and energy. Two thermal boundary conditions on the wall are analyzed, adiabatic and isothermal. As combustion occurs, mesh adaption based on the temperature gradient is performed. Adaption is performed to better describe the fastest chemical reactions, which does not occur in a coarser mesh. The results show that the temperature profile inside the tube for the adiabatic and isothermal walls differ due to heat exchange. It was also observed that the average flow velocity needs to be greater than the speed of the flat flame so that flashback is prevented.

LUIS FERNANDO FIGUEIRA DA SILVA

MARIA CLARA DE JESUS VIEIRA

2021-01-04

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https://doi.org/10.17771/PUCRio.acad.51092