Chapter III. Topological Hochschild homology
III.4. The B¨ okstedt construction
Como visto no item 3.3.4, o cálculo CFD é um processo iterativo de cálculo que resolve as equações de conservação de massa, quantidade de movimento e energia com a finalidade de determinar o comportamento de um fenômeno físico em estudo sobre discretos elementos de volume.
85 A cada iteração, o parâmetro usado para quantificar a convergência dos cálculos é o erro. O Erro é calculado a partir do Erro Médio Quadrático, que no estudo do comportamento da chama para um modelo de câmara de combustão, é obtido:
a) Para cada uma das projeções das velocidades do escoamento no domínio tridimensional;
b) Para cada vazão mássica; c) Para temperatura do meio;
d) Para variação da energia dissipada pela turbulência e na própria turbulência; e e) Para emissão de NOx gerado, dependendo do combustível usado na simulação. Desta forma, tem-se dois parâmetros para o controle da qualidade dos cálculos: o Erro-Alvo Global; e o Número de Iterações. No caso de analise de transiente, também devem ser levados em consideração: o tempo total; o incremento de tempo; e o método de incremento de tempo. Enquanto o primeiro fixa um valor de referência a ser usado para os cálculos de todos os erros citados acima, o segundo parâmetro limita a quantidade de vezes que o cálculo é executado, bem como o custo computacional (tempo de processamento e memória requerida).
Desta forma, após expor no presente capítulo os principais conceitos relacionados à Dinâmica de Fluidos Computacional, no próximo capítulo apresenta-se um estudo de caso englobando os modelos de escoamento turbulento, de combustão e de transferência de calor adotados para o estudo termo aerodinâmico de um modelo de câmara de combustão do tipo anular pertencente a uma micro turbina a gás da Solar Turbines.
Capítulo 4
MODELAGEM DE UMA CÂMARA DE COMBUSTÃO
No presente capítulo, realize-se a modelagem geométrica de uma câmara de combustão com a especificação dos modelos matemáticos para o escoamento, a combustão e a transferência de calor por radiação, bem como o estabelecimento das condições de convergência para os cálculos, conforme é requerido pela metodologia prática do cálculo CFD.
A modelagem é executada em duas etapas: a primeira contemplando o estudo aerodinâmico, testando diferentes modelos de escoamento turbulento; e a segunda parte engloba os estudos termo aerodinâmicos, testando diferentes modelos de combustão.
4.1 Descrição da Metodologia
O procedimento proposto por este trabalho, o qual refere-se à aplicação da Dinâmica de Fluido Computacional apresentada no capítulo 3, pode ser utilizada, tanto para melhoria de projetos existentes focando melhor desempenho, quanto para projetos de desenvolvimento de novos equipamentos otimizados, em particular, as câmaras de combustão para turbinas a gás.
Na primeira parte desta metodologia, os dados de entrada básicos necessários para a aplicação desta metodologia para ass câmaras de combustão, contemplam: a) geometria do modelo; b) condições de operação do modelo (vazão, pressão e temperatura do ar do compressor na entrada da câmaraa e do combustível nos bicos injetores); c) tipo, composição química e propriedades físicas do combustivel adotado; e d) seleção de modelos matemáticos para a simulação do escoamento, da combustão, da transferência de calor e emissões.
87 Dentre os dados de entrada indicados, as condições de operação da câmara de combustão são determinados com a aplicação de um pograma para simulação do ciclo térmico da turbina a gás, do qual é possível determinar as condições de entrada e saída de todos os componentes da máquina. Também, quanto ao combustível adotado, a estimativa da composição química dos produtos de sua combustão podem ser determinados coma aplicação de um segundo programa para a simulação da reação química da combustão, da qual é possível determinar as concentrações dos principais agentes poluidores, nem como uma temperatura de referência para a chama.
Com relação aos modelos matemáticos, é necessário recorrer a revisão bibliográfica de artigos e resultados experimentais, que são utilizados com a intenção de qualificar e/ou validar estes modelos.
No item 4.2, mostra-se a câmara de combustão adotada. No item 4.3 é apresentado o programa adotado para a simulação de ciclos térmicos e, no item 4.4, o programa adotado para a simulação da reação química da combustão. Do item 4.5.1 a 4.5,7 mostram-se a modelagem da geometria da câmara de combustão, a geração da malha e a definição das condições de cálculo (condições de contorno e modelos matemáticos).
Tendo estes dados à disposição, a segunda etapa da metodologia realiza o cálculo numérico com a aplicação dos modelos matemáticos selecionados na primeira etapa para a simulação do escoamento, da combustão, da transferêmncia de calor e emissões, respeitadas determinadas condições de convergência durante a realização destes cálculos.
A terceira etapa consiste em analisar os resultados do cálculo numérico, por onde é possível identificar o comportamento termo-aerodinâmico do escoamento e da chama e, principalmente, os efeitos da geometria da câmara sobre este comportamento através do levantamento das distribuições de temperatura, pressão e velocidade ao longo da câmara. Em adição, também pode-se ter o levantamento das distribuições de temperatura, pressão e emissões na exaustão da câmra de combustão, que são parâmetros importantes no projeto dos tores das turbinas a gás.
Nesta última etapa, como resultado das analises pode-se também sugerir potenciais modificações no projeto original de câmara de combustão existente ou em desenvolvimento (como no caso específico da mudança de combustível de trabalho e seus efeitos sobre a estabilidade e vida útil do equipamento, por eemplo). Esta etapa também pode ser denominada de Engenharia Reversa.
O item 4.5.8 mostra as cndições de convergênxia do cálculo, enquanto os itens 4.6 e 4.7 apresentam os trabalhos de validação adotados para a metodologia. No capítulo 5, apresenta-se a análise dos resultados obtidos.
A Figura 4.1 mostra um esquema básico que resume a metodologia empregada neste trabalho.
Figura 4. 1 Esquema básico da metodologia aplicada neste trabalho