Laboratório de Simulação
Atualmente, em torno de 80% da fonte primária de consumo de energia global é suprida por combustíveis fósseis. Além disso, espera-se que a demanda de energia cresça de forma acentuada em vários países do globo nos próximos 20 anos [1]. Assim, é importante que os equipamentos de combustão aumentem em eficiência, reduzindo a emissão de gases do efeito estufa, e também diminuam a liberação de produtos tóxicos como NOx e particulados.
A simulação computacional de sistemas reativos tem por objetivo entender de forma detalhada os fundamentos físicos e químicos que os sistemas complexos de engenharia apresentam. Aliada a resultados experimentais, modelos preditivos podem ser criados para aplicação em projetos e desenvolvimento de equipamentos. Um modelo sistemático do processo envolvendo o estudo numérico em combustão é mostrada abaixo.
O LabCET apresenta pesquisas nas seguintes áreas,
Mecanismos de cinética química:
A modelagem química da combustão envolve a utilização de mecanismos de cinética química. Em todo o mundo, grupos de pesquisa produzem modelos preditivos focados no detalhamento químico utilizando métodos de química computacional. Os modelos variam em complexidade, dependendo do combustível utilizado e das condições de calibração. Assim, quanto maior a precisão, maior é o número de espécies e reações envolvidas no mecanismo cinético. Para a simulação de combustão em CFD, os mecanismos detalhados necessitam muitas vezes de uma simplificação (redução de mecanismos cinéticos via DRG, DSA ou afins) e uma nova calibração para seu uso. Além disso, estratégias de modelagem, como química virtual, também são avaliadas como alternativa para o uso de redução de mecanismos.
Validação de mecanismos químicos para previsão de velocidade de chama laminar:
A velocidade de chama laminar é um importante parâmetro que define a taxa de consumo de combustível sendo utilizada na modelagem numérica (e.g. CFD) e projeto de sistemas de engenharia (e.g. motores, queimadores e turbinas a gás). Utilizando os resultados medidos no laboratório CVR, mecanismos químicos reduzidos e detalhados podem ser validados através do uso de algoritmos de simulação unidimensional de propagação de chama laminar. Assim, simulacros de combustíveis podem ser estudados afim de entender o papel de espécies químicas específicas no processo de queima. Ainda, correlações para velocidade de chama são desenvolvidas as quais são usadas na modelagem em CFD envolvendo escoamentos turbulentos.
Mecânica dos fluidos computacional:
A interação entre a combustão, transferência de calor e escoamento pode ser estudado através do uso de métodos em CFD. Simulações utilizando DNS (Direct Numerical Simulations) permitem que todas as escalas de comprimento de um escoamento sejam resolvidas. Desta forma, a fina estrutura reativa de uma chama pode ser capturada e os efeitos do escoamento sobre a taxa de queima podem ser analisados. Efeitos termo-difusivos que alteram a estrutura da chama e geram instabilidades sobre a área de propagação são comparados com modelos teóricos e servem como importantes parâmetros para o entendimento e otimização dos processos envolvendo combustão.
Simulação de motores de combustão interna:
A modelagem numérica, tanto de motores de ignição por compressão quanto de ignição por centelha, possibilita a análise paramétrica de variáveis de desempenho térmico de um motor. Assim, pode-se entender como o processo transiente da combustão afeta a pressão, temperatura, taxa de liberação de calor, consumo de combustível, emissões e trabalho gerado. Além disso, através do uso de algoritmos de otimização, um conjunto de variáveis escolhidas pode ser utilizada para encontrar a solução ideal para um desempenho específico de um motor (e.g. redução de consumo de combustível).
INFORMAÇÕES ADICIONAIS
Equipe
Prof. Amir A. M. Oliveira, PhD. (Coordenador)
Nury Nieto Garzón, Dra. Eng. (Pesquisadora)
Augusto Finger Pacheco, Me. Eng. (pós-graduação)
Rafael Becker Meier, Me. Eng. (pós-graduação)
Gustavo Pasolini Neves, Eng. (pós-graduação)
Contato: rafael.meier@labcet.ufsc.br