%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21d/2021/11.20.12.11
%2 sid.inpe.br/mtc-m21d/2021/11.20.12.11.22
%T Tsuji burner as a numerical laboratory to study several aspects of diffusion flame
%J Queimador Tsuji como um laboratório numérico para o estudo de diversos aspectos da chama de difusão
%D 2022
%8 2021-11-30
%9 Tese (Doutorado em Combustão e Propulsão)
%P 128
%A Donini, Mariovane Sabino,
%E Fachini Filho, Fernando (presidente/orientador),
%E Cristaldo, Cesar Flaubiano da Cruz (orientador),
%E Mendonça, Márcio Teixeira,
%E Azevedo, João Luiz Filgueiras,
%E Bruel, Pascal,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K diffusion flames, buoyancy-driven flow, vortex breakdown, finite volume method, artificial compressibility method, chamas de difusão, escoamento gerado por flutuabilidade, quebra de vórtice, método de volumes finitos, método de compressibilidade artificial.
%X 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 Péclet 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 difusão cilíndricas (queimador Tsuji) juntamente com a implementação da abordagem de compressibilidade artificial transiente no limite de um número Mach zero com massa específica constante e variável. Combinando uma abordagem de volume finito em malhas totalmente deslocadas junto com o método de compressibilidade artificial, o código resultante provou ser versátil o suficiente para lidar com configurações de escoamento que vão desde esteiras transientes em cilindro, cilindro aquecido ou chamas de difusão estacionarias e transientes com excelente precisão, nos limites da modelagem física subjacente. O código numérico resultante foi usado para simular o Queimador Tsuji em três casos principais: Chama Tsuji estacionária com convecção forçada, nomeadamente Chama Tsuji Clássica (Caso A), Chama Tsuji estacionária com convecção natural com atmosfera ambiente aquecida, nomeadamente Chama Tsuji Flutuante (Caixa B), e finalmente a chama transiente de Tsuji com convecção natural em baixo número de Froude, ou seja, a chama de Tsuji puffing (Caso C). Os resultados para o Caso A mostram que a largura da chama é proporcional ao coeficiente estequiométrico de massa e recíproca ao número de Peclet a 1/4 da potência e a velocidade do escoamento livre a 3/4 da potência, e que a altura da chama é proporcional ao quadrado do coeficiente estequiométrico de massa e à raiz quadrada da razão entre o número 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 recirculação abaixo do queimador onde a chama está passando por níveis muito baixos de taxa de estiramento. A chama em geral prova ser mais curta do que sua contraparte observada no regime de convecção forçada, Caso A. Além disso, é mostrado que uma análise de ordem de magnitude é capaz de recuperar a sensibilidade do comportamento da chama aos números de Péclet e Froude, bem como aos parâmetros de combustão. Em uma determinada faixa de temperatura ambiente-atmosfera, o campo do escoamento muda drasticamente: para as mesmas condições de contorno, existem duas soluções de estado estacionário que dependem das condições iniciais, ou seja, o sistema apresenta uma histerese. Por fim, os resultados para o caso C com massa específica constante mostraram que a instabilidade de baixa frequência gerada pelo deslocamento do estado inicial da chama foi amortecida, levando a uma chama de difusão estacionária não física. No caso C de massa específica variável, a chama de puffing transiente foi encontrada e dois mecanismos de instabilidade foram destacados, a saber, o mecanismo Kelvin-Helmholtz próximo ao cilindro e o mecanismo Rayleigh-Taylor próximo ao estrangulamento da chama. Finalmente, um estudo paramétrico variando o número de Froude mostrou que o regime de puffing para chamas Tsuji segue a mesma relação que para chamas de jato, St proptoF r−1. No entanto, verificou-se que o nível de frequência das chamas do Tsuji não é o mesmo descrito na literatura para chamas de jato e poça.
%@language en
%3 publicacao.pdf