Análise numérica de chamas difusivas planas

Abstract

RESUMO: Este trabalho investiga numericamente a instabilidade de chamas difusivas geradas pelo empuxo em uma canaleta retangular, utilizando metano como combustível. As simulações foram realizadas utilizando o OpenFOAM, devido à sua capacidade de descrever o escoamento reativo gerado pelo empuxo com precisão. A maioria dos estudos realizados anteriormente na área envolve chamas com geometria de queimador axissimétrico ou quadrado, nos quais o efeito do cisalhamento promove a formação de vórtices toroidais, que alteram no formato da chama, causando flickering e/ou puffing. Dada a geometria da canaleta, tem-se uma análise bidimensional, considerando-se uma canaleta de comprimento infinito. Esta hipótese permite que os vórtices sejam considerados paralelos e assim estudar a influência entre esses vórtices. Os resultados das simulações capturaram os campos de velocidade e temperatura, o formato da chama, a dinâmica dos vórtices e a frequência de oscilação. Observou-se que a maior velocidade encontra-se próxima ao topo da chama, em razão da força de empuxo, que é máxima nesta região. As frequências de oscilação foram medidas utilizando uma Transformada Rápida de Fourier, identificando frequências principais entre 11,94 Hz e 13,79 Hz, em concordância com estudos experimentais. Estudos futuros devem investigar a origem das frequências adicionais observadas e a influência da espessura da canaleta na frequência de oscilação da chama, proporcionando uma compreensão mais profunda dos fenômenos envolvidos.

ABSTRACT: This work numerically investigates the instability of diffusive flames generated by buoyancy in a rectangular slot, using methane as fuel. The simulations were carried out using OpenFOAM, due to its ability to accurately describe the reactive flow generated by buoyancy. Most of the studies previously carried out in the area involve flames with axisymmetric or square burner geometry, in which the shear effect promotes the formation of toroidal vortices, which change the shape of the flame, causing flickering and/or puffing. Given the geometry of the channel, a two-dimensional analysis is performed, considering a slot of infinite length. This hypothesis allows the vortices to be considered parallel and thus study the influence between these vortices. The simulation results captured the velocity and temperature fields, the flame shape, the vortex dynamics and the oscillation frequency. It was observed that the highest speed is close to the top of the flame, due to the buoyancy force, which is maximum in this region. Oscillation frequencies were measured using a Fast Fourier Transform, identifying main frequencies between 11.94 Hz and 13.79 Hz, in agreement with experimental studies. Future studies should investigate the origin of the additional frequencies observed and the influence of channel thickness on the flame oscillation frequency, providing a deeper understanding of the phenomena involved.