@PhDThesis{Donini:2022:TsBuNu,
author = "Donini, Mariovane Sabino",
title = "Tsuji burner as a numerical laboratory to study several aspects of
diffusion flame",
school = "Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)",
year = "2022",
address = "S{\~a}o Jos{\'e} dos Campos",
month = "2021-11-30",
keywords = "diffusion flames, buoyancy-driven flow, vortex breakdown, finite
volume method, artificial compressibility method, chamas de
difus{\~a}o, escoamento gerado por flutuabilidade, quebra de
v{\'o}rtice, m{\'e}todo de volumes finitos, m{\'e}todo de
compressibilidade artificial.",
abstract = "The present work analyses cylindrical diffusion flames (Tsuji
burner) along with the implementation of the unsteady artificial
compressibility approach in the limit of a zero Mach number with
constant and variable density. Combining a finite-volume approach
on fully staggered meshes along with the artificial
compressibility method, the resulting code proves to be versatile
enough to cope with flow configurations ranging from unsteady
cylinder wakes, heated cylinder or steady and unsteady diffusion
flames with excellent accuracy, in the limits of the underlying
physical modelling. The resulting numerical code has been used to
simulate the Tsuji Burner in three main cases: steady Tsuji flame
with forced convection, namely Classical Tsuji flame (Case A),
steady Tsuji flame with natural convection with heated ambient
atmosphere, namely Buoyant Tsuji Flame (Case B), and finally the
unsteady Tsuji flame with natural convection at low Froude number,
namely Puffing Tsuji Flame (Case C). The results for Case A show
that the flame width is proportional to the mass stoichiometric
coefficient and reciprocal to the Peclet number the 1/4 power and
free stream velocity the 3/4 power, and that the flame height is
proportional to the square of the mass stoichiometric coefficient
and to the square root of the ratio of Peclet number to free
stream velocity. The results for Case B showed that an increase of
the ambient temperature leads to the appearance of a counterflow
zone below the burner where the flame is undergoing very low
levels of strain rate. The overall flame proves to be shorter than
its counterpart observed in the forced convection regime, Case A.
In addition, it is shown that an order of magnitude analysis is
able to recover the sensitivity of the flame behaviour to the
P{\'e}clet and Froude numbers as well as to the combustion
parameters. In a certain range of the ambient-atmosphere
temperature, the flow field changes dramatically: for the same
boundary conditions, there are two steady-state solutions which
depend on the initial conditions, i.e., the system presents a
hysteresis. Lastly, the results for case C with constant density
showed that the low-frequency instability generated by the
displacement of the initial state of the flame was damped,
eventually leading to a nonphysical stationary diffusion flame. In
the variable density case C, the transient puffing flame was found
and two instability mechanisms were highlighted, namely the
Kelvin-Helmholtz mechanism near the cylinder and the
Rayleigh-Taylor mechanism near the flame pinch-off. Finally, a
parametric study varying the Froude number showed that the puffing
regime for Tsuji flames follows the same relation as for jet
flames, St \∝ Fr\−1. However, it was found that the
frequency level of the puffing Tsuji flames is not the same as
described in the literature for jet and pool flames. RESUMO: O
presente trabalho analisa as chamas de difus{\~a}o
cil{\'{\i}}ndricas (queimador Tsuji) juntamente com a
implementa{\c{c}}{\~a}o da abordagem de compressibilidade
artificial transiente no limite de um n{\'u}mero Mach zero com
massa espec{\'{\i}}fica constante e vari{\'a}vel. Combinando
uma abordagem de volume finito em malhas totalmente deslocadas
junto com o m{\'e}todo de compressibilidade artificial, o
c{\'o}digo resultante provou ser vers{\'a}til o suficiente para
lidar com configura{\c{c}}{\~o}es de escoamento que v{\~a}o
desde esteiras transientes em cilindro, cilindro aquecido ou
chamas de difus{\~a}o estacionarias e transientes com excelente
precis{\~a}o, nos limites da modelagem f{\'{\i}}sica
subjacente. O c{\'o}digo num{\'e}rico resultante foi usado para
simular o Queimador Tsuji em tr{\^e}s casos principais: Chama
Tsuji estacion{\'a}ria com convec{\c{c}}{\~a}o for{\c{c}}ada,
nomeadamente Chama Tsuji Cl{\'a}ssica (Caso A), Chama Tsuji
estacion{\'a}ria com convec{\c{c}}{\~a}o natural com atmosfera
ambiente aquecida, nomeadamente Chama Tsuji Flutuante (Caixa B), e
finalmente a chama transiente de Tsuji com convec{\c{c}}{\~a}o
natural em baixo n{\'u}mero de Froude, ou seja, a chama de Tsuji
puffing (Caso C). Os resultados para o Caso A mostram que a
largura da chama {\'e} proporcional ao coeficiente
estequiom{\'e}trico de massa e rec{\'{\i}}proca ao n{\'u}mero
de Peclet a 1/4 da pot{\^e}ncia e a velocidade do escoamento
livre a 3/4 da pot{\^e}ncia, e que a altura da chama {\'e}
proporcional ao quadrado do coeficiente estequiom{\'e}trico de
massa e {\`a} raiz quadrada da raz{\~a}o entre o n{\'u}mero de
Peclet e a velocidade do escoamento livre. Os resultados do Caso B
mostraram que um aumento da temperatura ambiente leva ao
aparecimento de uma zona de recircula{\c{c}}{\~a}o abaixo do
queimador onde a chama est{\'a} passando por n{\'{\i}}veis
muito baixos de taxa de estiramento. A chama em geral prova ser
mais curta do que sua contraparte observada no regime de
convec{\c{c}}{\~a}o for{\c{c}}ada, Caso A. Al{\'e}m disso,
{\'e} mostrado que uma an{\'a}lise de ordem de magnitude {\'e}
capaz de recuperar a sensibilidade do comportamento da chama aos
n{\'u}meros de P{\'e}clet e Froude, bem como aos par{\^a}metros
de combust{\~a}o. Em uma determinada faixa de temperatura
ambiente-atmosfera, o campo do escoamento muda drasticamente: para
as mesmas condi{\c{c}}{\~o}es de contorno, existem duas
solu{\c{c}}{\~o}es de estado estacion{\'a}rio que dependem das
condi{\c{c}}{\~o}es iniciais, ou seja, o sistema apresenta uma
histerese. Por fim, os resultados para o caso C com massa
espec{\'{\i}}fica constante mostraram que a instabilidade de
baixa frequ{\^e}ncia gerada pelo deslocamento do estado inicial
da chama foi amortecida, levando a uma chama de difus{\~a}o
estacion{\'a}ria n{\~a}o f{\'{\i}}sica. No caso C de massa
espec{\'{\i}}fica vari{\'a}vel, a chama de puffing transiente
foi encontrada e dois mecanismos de instabilidade foram
destacados, a saber, o mecanismo Kelvin-Helmholtz pr{\'o}ximo ao
cilindro e o mecanismo Rayleigh-Taylor pr{\'o}ximo ao
estrangulamento da chama. Finalmente, um estudo param{\'e}trico
variando o n{\'u}mero de Froude mostrou que o regime de puffing
para chamas Tsuji segue a mesma rela{\c{c}}{\~a}o que para
chamas de jato, St proptoF r\−1. No entanto, verificou-se
que o n{\'{\i}}vel de frequ{\^e}ncia das chamas do Tsuji
n{\~a}o {\'e} o mesmo descrito na literatura para chamas de jato
e po{\c{c}}a.",
committee = "Fachini Filho, Fernando (presidente/orientador) and Cristaldo,
Cesar Flaubiano da Cruz (orientador) and Mendon{\c{c}}a,
M{\'a}rcio Teixeira and Azevedo, Jo{\~a}o Luiz Filgueiras and
Bruel, Pascal",
englishtitle = "Queimador Tsuji como um laborat{\'o}rio num{\'e}rico para o
estudo de diversos aspectos da chama de difus{\~a}o",
language = "en",
pages = "128",
ibi = "8JMKD3MGP3W34T/45R594E",
url = "http://urlib.net/ibi/8JMKD3MGP3W34T/45R594E",
targetfile = "publicacao.pdf",
urlaccessdate = "14 jun. 2024"
}