Tcc turbina a-gas_didatica-ugf-depeme_2011.1_final cfd

6 ANÁLISE TÉRMICA EM CFD (COMPUTACIONAL FLUID DYNAMICS)
6.1 Introdução
Neste capítulo será abordado um processo de combustão, tendo como fluidos o
GLP (gás liquefeito de petróleo) e ar atmosférico.
Utilizaremos o ambiente CFD do ANSYS V13 de uma forma didática bem
detalhada com o intuito de o processo poder ser repetido.
6.1.1 A História do CFD (Computacional Fluid Dynamics)
Os computadores têm sido usados para resolver os problemas de fluxo de fluidos
por muitos anos. Vários programas foram escritos para resolver tanto problemas
específicos como classes específicas de problemas. A partir de meados da década de 70, a
matemática complexa necessária para generalizar os algoritmos começou a ser entendida,
e solucionadores de propósito geral CFD foram desenvolvidos. Estes começaram a
aparecer no início dos anos 1980 e exigiam computadores muito poderosos, bem como um
conhecimento profundo da dinâmica dos fluidos, e grande disponibilidade de tempo para
criar as simulações. Por conseguinte, o CFD foi uma ferramenta utilizada quase que
exclusivamente na pesquisa.
Os recentes avanços na tecnologia da computação, juntamente com gráficos e
manipulação de modelos 3D interativos, tem feito o processo de criação de um modelo
CFD e análise de resultados muito menos trabalhoso, reduzindo o tempo e, portanto,
custo. Os solucionadores avançados contêm algoritmos que permitem soluções robustas
do campo de fluxo em um tempo razoável.
Como resultado desses fatores, o Computational Fluid Dynamics é hoje uma
ferramenta de design industrial estabelecido, ajudando a reduzir o tempo de projeto e a
melhorar os processos de engenharia de todo o mundo. CFD é uma alternativa rentável e
com uma precisão de escala de teste do modelo, com variações na simulação que está
sendo executada rapidamente, oferecendo vantagens óbvias.

246
6.1.2 Objetivo
Este trabalho tem como objetivo a análise computacional do processo de
combustão em uma câmara de combustão de uma turbina a gás didática.
Serão abordadas a configuração e simulação no ambiente do ANSYS CFD de
forma didática.

247
6.2 Revisão bibliográfica
6.2.1 CFD (Computacional Fluid Dynamics)
Computacional Fluid Dynamic (CFD) é uma ferramenta computacional para
simulação do ambiente de um sistema envolvendo circulação de fluidos, transferência de
calor, e outros processos físicos relacionados. Funciona resolvendo-se equações de vazões
de fluidos (em forma especial) sobre uma região de interesse, com condições
especificadas (conhecidas) na fronteira dessa região.
6.2.1.1 A Matemática do CFD
O conjunto de equações que descrevem os processos de movimento, calor e
transferência de massa é conhecido como as equações de Navier-Stokes. Essas equações
diferenciais parciais foram obtidas no início do século XIX e não tem solução analítica
conhecida em geral, mas podem ser discretizadas e resolvidas numericamente.
Há uma série de métodos de soluções diferentes que são usados em códigos CFD.
O mais comum, e uma sobre a qual se baseia o CFX, é conhecida como a técnica de
volumes finitos.
Nesta técnica, a região de interesse é dividida em pequenas sub-regiões, chamada
de volumes de controle. As equações são discretizadas e resolvidas iterativamente para
cada volume de controle. Como resultado, uma aproximação do valor de cada variável em
pontos específicos ao longo do domínio pode ser obtida. Desta forma, se obtém uma visão
completa do comportamento do fluxo.
6.2.2 Teoria da Combustão
Esta parte aborda a implementação dos modelos de combustão no CFX-Solver.
As seções seguintes descrevem a base da aplicação da modelagem da combustão
em CFX. Em primeiro lugar, as equações de transporte de energia e os componentes são
revisadas, o cálculo da taxa de reação química é descrita, e, finalmente, o cálculo da taxa
de progresso de uma reação química é explicada no contexto da Dissipação de Eddy e

248
Taxa Finita de Modelos Químicos. A Extinção é modelada, definindo a taxa de reação
local como zero.
6.2.2.1 Equações de Transporte
Os modelos de combustão em CFX usam o mesmo algoritmo usado para fluido
multicomponente com a adição de um termo denominado fonte / sumidouro devido a
reações químicas. A equação de transporte para o componente I, com fração de massa, YI é
então:
߲ሺߩܻூሻ
߲‫ݐ‬
൅
߲ሺߩ‫ݑ‬௜ܻூሻ
߲‫ݔ‬௝
ൌ
߲
߲‫ݔ‬௝
ቆȞ୍౛౜౜
߲ܻூ
߲‫ݔ‬௝
ቇ ൅ ܵூ ሺ͸Ǥͳሻ
Onde o termo fonte SI é devido à taxa de reação química envolvendo o
componente I.
6.2.2.2 Taxa de Reação Química
Em geral, as reações químicas podem ser descritas em termos de K reações
elementares envolvendo NC componentes que pode ser escrita como:
ቈ෍ ‫ݒ‬ᇱ
௞ூ‫ܫ‬
ே಴
ூୀ஺ǡ஻ǡ஼ǥ
֞ ෍ ‫ݒ‬ᇱᇱ
௞ூ‫ܫ‬
ே಴
ூୀ஺ǡ஻ǡ஼ǥ
቉ ሺ͸Ǥʹሻ
Onde ‫ݒ‬Ԣ௞ூ é o coeficiente estequiométrico para o componente I na reação K
fundamental.
A taxa de produção / consumo, SI para o componente I pode ser calculada como a
soma da taxa de progresso para todas as reações elementares, onde o componente I
participa:

249
ܵ‫ܫ‬ ൌ ܹூ ෍ ሺ‫ݒ‬ԢԢ௞ூ‫ܫ‬ െ‫ݒ‬Ԣ௞ூ‫ܫ‬ሻܴ௞
௄ଵ
௄ୀଵ
ሺ͸Ǥ͵ሻ
Onde Rk é a taxa de reação elementar de progresso para a reação k, que em CFX
pode ser calculado usando o Modelo Eddy de Dissipação e / ou o Taxa Finita de Modelos
Químicos.
6.2.2.3 Escala de tempo do fluido para Modelo de Extinção
Quando o modelo para a extinção da chama em alta turbulência é ativado, a
extinção local ocorre quando Ĳt< Ĳc
Enquanto Ĳc é diretamente especificado, a escala de tempo de turbulência é
calculada a partir dos campos solução CFD. Uma possibilidade é aplicar a escala de
tempo de Kolmogorov:
߬௄௢௟௠௢௚௢௥௢௩ ൌ ට
߭
ߝ
ሺ͸ǤͶሻ
Uma outra alternativa é usar a escala de tempo de mistura:
߬௠௜௫௜௡௚ ൌ
݇
߭
ሺ͸Ǥͷሻ
6.2.2.4 O Modelo de Dissipação Eddy
O Modelo de Dissipação Eddy é baseado no conceito de que a reação química é
rápida em relação ao transporte de processos no fluxo. Quando reagentes se misturam, a
nível molecular, eles instantaneamente formam produtos. O modelo assume que a taxa de
reação pode ser relacionada diretamente ao tempo necessário para misturar os reagentes, a
nível molecular. Em escoamentos turbulentos, esse tempo de mistura é dominado pelas

250
propriedades Eddy e, portanto, a taxa é proporcional ao tempo de mistura definida pela
energia cinética turbulenta, k, e dissipação, İ:
‫݁ݐܽݎ‬ ߙ
ߝ
݇
ሺ͸Ǥ͹ሻ
Este conceito de controle de reação é aplicável em muitos problemas de
combustão industrial, onde as taxas de reação são rápidas em comparação com as taxas de
mistura dos reagentes.
No Modelo de Dissipação Eddy, a taxa de progresso da reação k elementar, é
determinada pela menor das duas seguintes expressões:
6.2.2.4.1 Reagentes Limitadores
ܴ௞ ൌ ‫ܣ‬
ߝ
݇
‹ ቆ
ሾ‫ܫ‬ሿ
‫ݒ‬ᇱ
௞ூ
ቇ ሺ͸Ǥͺሻ
Onde [I] é a concentração molar do componente I e I inclui apenas os
componentes do reagente.
6.2.2.4.2 Limitador de Produtos
ܴ௞ ൌ ‫ܤܣ‬
ߝ
݇
ቆ
σ ‫݌‬ሺ‫ܫ‬ሻܹூ
σ ‫ݒ݌‬ᇱᇱ
௞ூܹூ
ቇ ሺ͸Ǥͻሻ
Onde P é repetido em todos os componentes do produto na reação primária k.
O limitador de produtos é desativado quando o modelo de coeficiente B é
definido para um valor negativo. Para ambas as etapas única e múltipla de reação, é

251
desligado por padrão, (definido como -1), mas pode ser ligado ao ajustar explicitamente o
modelo coeficiente B para um valor positivo (embora isso não seja recomendado para a
reação de múltiplas etapas).
6.2.2.4.3 Limitador de temperatura máxima da chama
Opcionalmente, uma temperatura de chama máxima pode ser aplicada para o
Modelo de Dissipação Eddy. A taxa de reação é suavemente misturada a zero quando o
limite de temperatura superior especificado é abordado. Isso é implementado por um
período adicional vinculado adicionado à condição mínima da taxa de reação EDM:
ܴ௞ǡெி் ൌ ‫ܣ‬
ߝ
݇
‫ܥ‬ெி் ሺ͸ǤͳͲሻ
Onde:
‫ܥ‬ெி் ൌ ݉ܽ‫ݔ‬ሼሺܶ௠௔௫ െ ܶሻǡ Ͳ ሾ‫ܭ‬ሿሽǤ
ߩ‫ܥ‬௉
ο‫ܪ‬ோ
ሺ͸Ǥͳͳሻ
CMFT pode ser interpretado como uma concentração virtual, que desaparece se a
temperatura for igual à temperatura de chama máxima. CP é a capacidade calorífica da
mistura dos fluidos à pressão constante e ǻHR é a liberação de calor da reação por mol.
6.2.2.5 A Taxa Finita do Modelo Químico
A Taxa Finita do Modelo Químico, como implementada no CFX, assume que a
taxa de progresso da reação elementar k pode ser reversível se uma reação inversa é
definida. Portanto, a taxa de progresso Rk, é computada como:

252
ܴ௞ ൌ ቆ‫ܨ‬௞ ෑ ሾ‫ܫ‬ሿ௥ᇱೖ಺ െ ‫ܤ‬௞ ෑ ሾ‫ܫ‬ሿ௥ᇱೖ಺
ே಴
ூୀ஺ǡ஻ǡǥ
ே಴
ூୀ஺ǡ஻ǡǥ
ቇ ሺ͸Ǥͳʹሻ
Onde [I] é a concentração molar do componente I e Fk e ߚ௞ são as constantes de
taxa progressão e reversão da reação, respectivamente.
r representa a ordem da reação do componente I na reação elementar k. Esta
ordem de reação é igual ao coeficiente estequiométrico para reações elementares, mas
pode ser diferente para certas reações globais.
A única fórmula incorporada para as taxas de reação de progressão e reversão da
reação pressupõe uma dependência da temperatura de Arrhenius como:
‫ܨ‬௞ ൌ ‫ܣ‬௞ܶఉೖ‡š’ ሺെ
‫ܧ‬௞
ܴܶ
ሻ ሺ͸Ǥͳ͵ሻ
‫ܤ‬௞ ൌ ‫ܣ‬௞ܶఉೖ‡š’ ሺെ
‫ܧ‬௞
ܴܶ
ሻ ሺ͸ǤͳͶሻ
Onde:
• Ak é o fator pré-exponencial;
• ߚ௞ é o expoente de temperatura (adimensional);
• Ek é a energia de ativação;
• T é a temperatura absoluta;
Rk pode ser especificada diretamente sem o uso de relações.
Configurações separadas dos coeficientes Ak, ߚ௞ e Ek são empregadas nas taxas de
progressão e reversão da reação.
6.2.2.5.1 Termo de Terceiro elemento
Nos casos em que um terceiro elemento é necessário para que a reação ocorra, a
taxa de progresso descrita anteriormente é escalada por:

253
෍ ܽ௞௜ሾ‫ܫ‬௜ሿ
ே
௜ୀଵ
ሺ͸Ǥͳͷሻ
Onde aki é a participação relativa do componente Ii na reação k.
Para aqueles componentes que têm uma elevada probabilidade de participar na
reação, o coeficiente aki é maior do que aqueles que raramente participam ou não
participam em todas (aki=0). Se o termo terceiro elemento está presente em uma reação,
CFX assume o padrão de eficiência para todos os componentes (Opção = Padrão). Os
fatores de eficiência podem ser especificados para cada espécie, definindo a opção para
Efficiency Factor e listando os componentes, bem como seus fatores de eficiência em
Materials List e nos parâmetros Efficiency Factor List, respectivamente. Se a opção
Efficiency Factor List é eficaz, o padrão ainda se aplica aos componentes que não estão
listados.
6.2.2.6 A Combinação da Dissipação Eddy / Taxa Finita do Modelo
Químico de Combustão
A taxa de reação efetiva, para o modelo combinado, é calculada como o mínimo
da Taxa Finita Química e da taxa de dissipação Eddy.
A documentação Teórica para este modelo é o mesmo que para os outros:
• O Modelo de Dissipação Eddy
• A Taxa Finita do Modelo Químico
6.2.2.7 Linearização do termo da fonte de combustão
Os termos de fonte de combustão podem ter uma influência dominante sobre a
solução das equações escalares e de energia. Assim, é importante tratar os termos da fonte
de combustão com cuidado a fim de obter a convergência robusta do fluxo de fluido.
Uma propriedade dos líquidos multicomponentes é que a fração de massa de um
determinado componente é limitado entre 0 e 1. A Combustão tende a conduzir as
concentrações dos reagentes para o limite inferior e as concentrações do produto para o

254
limite superior. Se o intervalo de tempo é grande, as fontes de combustão podem provocar
os escalares a ultrapassarem esses limites. Assim, as fontes podem precisar serem mais
moderadas para manter as frações de massa física realista.
As fontes de combustão em CFX foram linearizadas para evitar a formação de
frações de massa negativa. Considere a solução do componente I com o termo fonte, R,
que é calculado a partir da equação abaixo em cada volume de controle. Para evitar que a
fração de massa ultrapasse os limites de 0 a 1, o termo fonte é calculado de acordo com:
݂‫݁ݐ݊݋‬ ൌ ቆ
ܴூ െ ȁܴூȁ
ʹ‫ܫ‬‫כ‬
ቇ ‫ܫ‬ ൅ ቆ
ܴூ െ ȁܴூȁ
ʹሺͳ െ ‫ܫ‬ሻ‫ככ‬ሻ
ቇ ሺͳ െ ‫ܫ‬ሻ ሺ͸Ǥͳ͸ሻ
Onde I*
=max(į,I) e onde (1-I)**
=max(į,1-I)
E İ é um número pequeno (definido como 10-6
). A taxa de reação de combustão
deve aproximar-se de 0 sempre que qualquer frações de um dos reagentes ou a massa do
produto atinja 0. Se a origem for positiva (dos produtos), então o primeiro termo do lado
direito da Equação anterior é zero e a fonte é:
݂‫݁ݐ݊݋‬ ൌ ܴூ ‫݁ݏ‬ ‫ܫ‬ ൒ ͳ െ ߜ ሺ͸Ǥͳ͹ሻ
De outro modo:
݂‫݁ݐ݊݋‬ ൌ ܴூ
ሺͳ െ ‫ܫ‬ሻ
ߜ
ሺ͸Ǥͳͺሻ
Assim os produtosĺ1, fonte ĺ0
Se a origem for negativa (reagentes), então o segundo termo do lado direito da
Equação 6-15 é zero e a fonte é:
݂‫݁ݐ݊݋‬ ൌ ܴூ ‫݁ݏ‬ ‫ܫ‬ ൒ ߜ ሺ͸Ǥͳͻሻ

255
De outro modo:
݂‫݁ݐ݊݋‬ ൌ
ሺܴூ ‫ܫ‬ሻ
ߜ
ሺ͸ǤʹͲሻ
Assim os produtosĺ0, fonte ĺ0
Este tratamento de fontes de combustão permite maiores intervalos para serem
usados no cálculo de uma solução de estado estacionário do que seria possível sem a
linearização.

256
6.2.3 ANSYS CFX
ANSYS CFX é um propósito geral do software Computational Fluid Dynamics
(CFD), que combina um solver avançado com capacidades poderosas de pré e pós-
processamento. Ele inclui os seguintes recursos:
• Um solver avançado que é tanto confiável como robusto.
• A integração completa de definição do problema, análise e apresentação
de resultados.
• Um processo de configuração intuitivo e interativo, usando menus e
gráficos avançados.
O ANSYS CFX é capaz de modelar:
• Estado estacionário e os fluxos transitórios;
• Fluxo laminar e turbulento;
• Fluxos subsônicos, transônicos e supersônicos;
• Transferência de calor e radiação térmica;
• Flutuabilidade;
• Fluxos não-newtonianos;
• Transporte de componentes não reagentes escalares;
• Fluxos multifásicos;
• Combustão;
• Fluxos em vários quadros de referência;
• Partículas de rastreamento.

257
6.2.3.1 A estrutura do ANSYS CFX
ANSYS CFX é composto por quatro módulos de software que importa uma
geometria e malha e passa as informações necessárias para realizar uma análise CFD:
Software de geração da
geometria (SolidEdge V19)
Software de geração da
malha (ANSYS Meshing)
Componentes do
ANSYS CFXANSYS CFX-Pre
(Pré-processador físico)
ANSYS CFX-Solver
(Solucionador)
ANSYS CFX-Post
(Pós-processador)
ANSYS CFX-Solver Manager
(Gerenciador de trabalho CFD)

258
6.2.3.1.1 CFX-Pre
O pré-processador físico de última geração, CFX-Pre, é usado para definir as
simulações.
Múltiplas malhas podem ser importadas, permitindo que cada seção de
geometrias complexas possa usar uma malha mais apropriada.
Análises, que consistem em física de fluxo, condições de contorno, valores
iniciais e parâmetros do solucionador, também são especificadas. Uma gama completa de
condições de contorno, incluindo entradas, saídas e aberturas, juntamente com condições
de contorno para modelos de transferência de calor e periodicidade, está todos disponíveis
no ANSYS CFX através CFX-Pre.
Simulações complexas são montadas a partir de uma ou mais configurações, cada
qual combina uma definição de análise com outras tarefas afins, tais como remeshing. O
controle sobre a configuração de ordem de execução e solução de configuração de
interdependências que facilita a configuração das simulações relativamente comuns, como
os que envolvem a inicialização de uma análise transiente utilizando os resultados de uma
análise de estado estacionário. O uso de múltiplas configurações e controle também
facilita a instalação de simulações cada vez mais complexas, por exemplo, curvas de
desempenho para turbo-máquinas ou motores de combustão interna com envolvimento da
geometria e da física.
6.2.3.1.2 CFX-Solver
CFX-Solver resolve todas as variáveis para a solução de simulação para a
especificação do problema gerado no CFX-Pre.
Uma das características mais importantes da ANSYS CFX é a utilização de um
solucionador acoplado, em que todas as equações da hidrodinâmica são resolvidas como
um sistema único. O solucionador acoplado é mais rápido do que os solucionadores
tradicionais segregados e menos iterações são necessárias para obter uma solução
convergente de fluxo.

259
6.2.3.1.3 CFX-Solver Manager
O módulo CFX-Solver Manager proporciona maior controle para a gestão das
tarefas de CFD. Suas principais funções são:
• Especificar os arquivos de entrada para o CFX-Solver.
• Iniciar / parar o CFX-Solver.
• Monitorar o progresso da solução.
• Configurar o CFX-Solver para o cálculo paralelo.
6.2.3.1.4 CFD-Post
CFD-Post oferece o estado de arte das ferramentas interativas de pós-
processamento gráfico para analisar e apresentar os resultados da simulação ANSYS CFX.
Recursos importantes incluídos:
• Pós-processamento quantitativo;
• Geração de relatórios;
• Linha de comando, arquivo de sessão, ou arquivo de entrada de Estado;
• Variáveis definidas pelo usuário;
• Geração de uma variedade de objetos gráficos onde a visibilidade,
transparência, cor, linha e renderização / face pode ser controlada;
• Power sintaxe para permitir que arquivos de sessão sejam totalmente
programáveis.

260
6.3 Desenvolvimento
Nessa parte do trabalho será abordado o desenvolvimento da análise térmica
através do ANSYS CFX, tendo como base o Tutorial 20: Combustion and Radiation in a
Can Combustor, do ANSYS V13.
6.3.1 Configurando o Diretório de Trabalho
O primeiro passo que deve ser feito quando usamos o ANSYS CFX é definir o
diretório de trabalho. O diretório de trabalho é o local padrão onde serão carregados e
salvos os seus arquivos.
Configure o diretório em: Tools>Options>Project Management
Figura 76 - Tela do Options do Project (ANSYS WORKBENCH V.13)

261
6.3.2 Ferramentas do CFX:
Componente Ferramenta Detalhe
ANSYS CFX-Pre User Mode General Mode
User Mode General Mode
Simulation Type Steady State
Fluid Type Reacting Mixture
Domain Type Single Domain
Turbulence Model k-Epsilon
Heat Transfer Thermal Energy
Combustion
Radiation
Boundary Conditions
Conditions
Inlet (Subsonic)
Outlet (Subsonic)
Wall: No-Slip
Wall: Adiabatic
Wall: Thin Surface
Timestep Physical Time Scale
ANSYS CFX-Post Plots Outline Plot (Wireframe)
Sampling Plane
Slice Plane
Vector
Other Changing the Color Range
Color map
Legend
Quantitative Calculation

262
6.3.3 O problema
A câmara de combustão é item de uma microturbina a gás. Montada de forma
tubular, a câmara de combustão foi projetada para minimizar emissões, queimar com
eficiência e manter as paredes à menor temperatura possível. Esse trabalho foi
desenvolvido pra demonstrar a dinâmica do processo de combustão e a distribuição do
fluxo de temperatura ao longo da câmara de combustão.
Dados de entrada:
Tabela Configuração Valor
Fluidos
Reagentes
Vazão de GLP (50% de C3H8 e 50% de C4H10) 0,001873 [kg/s]
Vazão de ar atmosférico total na Câmara de Combustão 0,223 [kg/s]
Vazão de ar atmosférico na entrada do Swirler (tubilhonador) da Câmara 0,0401 [kg/s]
Vazão de ar atmosférico na zona primária (8,2% do ar total) 0,0183 [kg/s]
Vazão de ar atmosférico na zona secundária (32,8% do ar total) 0,0731 [kg/s]
Vazão de ar atmosférico na zona de diluição (41,0% do ar total) 0,0914 [kg/s]
O ar atmosférico é composto por 23.2% de O2 (oxigênio) e 76,8% de N2
(nitrogênio), em massa.
A geometria resumida da câmara de combustão em questão está representada
abaixo:
Figura 77 - Câmara de combustão em corte (DE-UGFMEC129-080300, SolidEdge V.19)

263
6.3.4 Criando uma nova simulação
1- Inicie o ANSYS Workbench
2- Selecione File>New
3- Em Project Schematic, com o botão direito, crie um New Analysis
Systems>Fluid Flow (CFX) e nomeie como “MICROTURBINA2011”
Figura 79 - Tela do projeto do tipo Fluid Flow (CFX) do Workbench (ANSYS WORKBENCH V.13)
Figura 78 - Câmara de combustão para uso no ANSYS (DE-UGFMEC129-080300-1, SolidEdge V.19)
Saída.
Tem área de
2532 mm2
Zona de diluição
Aqui existem 12 furos de
entrada de ar com área de
63,4 mm2
cada
Zona secundária
Aqui existem 12 furos
de entrada de ar com
área de 50,3 mm2
cada
Zona primária.
Aqui existem 8 furos de entrada
de ar com área de 19,6 mm2
cada
Entrada principal de ar.
A entrada é guiada pelas
palhetas que dão ao ar um
turbilhonamento.
Tem área total de 530,2 mm2
Aqui existem 6 furos de
entrada de GLP com área de
1,8 mm2
cada

264
6.3.5 Importando a geometria
1- Com o botão direito na célula dois, Geometry da figura 79, selecione New
Geometry... Dessa forma carregará o Design Modeler do Work Bench.
2- No ambiente do Design Modeler importe o arquivo “DE-UGFMEC129-
080300-1.sat”, que contém a geometria da câmara de combustão existente.
File>Import External Geometry File... da pasta
C:ANSYSMICROTURBINAMICROTURBINA2011_files.
3- Clique em Generate para gerar a geometria.
Em Tree Outline serão gerados 5 Parts, 5 Bodies. Para gerar uma única malha
que contenha todas as partes, ao invés de 5 malhas para 5 partes, será necessário combiná-
las em uma única parte. Será necessário fundir as 5 partes em uma única:
1- Na barra de ferramentas no topo da janela, clique em Selection
Filter:Bodies . Isso significa que serão selecionados apenas solid bodies
na operação, que tornará o processo mais fácil.
2- Clique em Select Mode e selecione Box Select da caixa de seleção.
3- Na janela de geometria, selecione todas as cinco partes, clique com o bota
direto e selecione Form New Part.
4-
Agora está formado 1 Part, 5 Bodies e a geometria está completa
Para finalizar basta ir em File > Close DesignModeler para retornar ao Project
Schematic.

265
6.3.6 Gerando a Malha
Em Project Schematic, clique com o botão direito na 3ª célula da malha e
selecione Edit.
6.3.6.1 Criando as Named Selections
Serão criados 6 Named Selections
1- Para criar a Named Selection Fuelin, selecione as seis pequenas faces que
correspondem aos furos de saída do bico injetor, conforme figura 80. Após
selecionar as faces, com o botão direito, clique em Create named Selection
e nomeie como fuelin.
Figura 80 - Criação da Named Selection Fuelin no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)

266
2- Para criar a Named Selection airin, selecione as oito faces que
correspondem à entrada de ar na câmara de combustão, conforme figura 81.
Após selecionar as faces, com o botão direito, clique em Create named
Selection e nomeie como airin.
3- Para criar a Named Selection air1in, selecione as oito faces que
correspondem aos furos da zona primária de entrada de ar na câmara de
combustão, conforme figura 82. Após selecionar as faces, com o botão
direito, clique em Create named Selection e nomeie como air1in.
Figura 81 - Criação da Named Selection airin no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)

267
4- Para criar a Named Selection air2in, selecione as doze faces que
correspondem aos furos da zona secundária de entrada de ar na câmara de
Figura 83 - Criação da Named Selection air2in no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)

268
5- Para criar a Named Selection air3in, selecione as doze faces que
correspondem aos furos da zona de diluição de entrada de ar na câmara de
6- Para criar a Named Selection out, selecione a face que corresponde à saída
da câmara de combustão, conforme figura 85. Após selecionar a face, com
o botão direito, clique em Create named Selection e nomeie como out.

269
7- Para criar a Named Selection internal, selecione a face que bloqueia a
passagem do ar no gerador de vórtice Swirler da câmara de combustão,
conforme figura 86. Após selecionar a face, com o botão direito, clique em
Create named Selection e nomeie como internal.
Figura 86 - Criação da Named Selection internal no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)
Figura 85 - Criação da Named Selection out no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)

270
6.3.6.2 Configurando a Malha
Esta é uma geometria complexa que será usada em ima simulação complexa. Para
manter o tempo de análise reduzido, o tamanho default será mantido e será gerada uma
malha grosseira. Caso seja necessário uma análise mais detalhada será requerido um
tempo maior para se obter o resultado.
1- Em Tree Outline, clique no objeto Mesh.
2- Em Detail View, defina Physics Preferences para CFD e Solver Preference
para CFX.
3- Em Detail View, clique para expandir o grupo de controle do Sizing e
confirme se está em default sizing settings.
6.3.6.3 Configurando o Inflation
É recomendado colocar Inflation nas paredes da câmara de combustão.
1- Em Detail View, clique para expandir o grupo de controle do Inflation.
2- Defina o Use Automatic Inflation para Program Controlled*.
* Se definir como Program Controlled, Todas as faces do modelo serão
selecionadas para terem seus contornos inflados, exceto os listados abaixo:
• Faces em Named Selection(s);
• Faces em Contact regions(s);
• Faces em Symmetry definitions;
• Faces que pertencem a uma peça ou corpo que tenha um método de
malha definido que não suporte 3D inflation definitions;
• Faces em sólidos muito finos;
• Faces em sólidos que tenham controle de inflation manual.
Como resultado dessa configuração, todas as faces no modelo serão selecionados
para serem contornos inflados, com poucas exceções. Para o propósito desse trabalho,

271
uma exceção importante são as named selections – as faces em named selections não serão
selecionadas para serem infladas.

272
6.3.6.4 Gerando a Malha
Finalmente, podemos gerar a malha com o botão direito em malha na Tree
Outline e selecionando Generate Mesh. Após alguns minutos, o modelo com a malha
gerada aparece como mostrado na figura 87:
Figura 88 - Visualização da malha em corte no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)
Figura 87 - Visualização da malha no Meshing (ANSYS WORKBENCH V.13)

273
Dessa forma a geração da malha está completa. Podemos notar alguns avisos
sobre problemas com as camadas de geração do inflation. Esses avisos são comuns
quando se usa a configuração do método automático de inflation.
Salve o projeto e finalize o aplicativo em FILE> Close Meshing.
6.3.7 Configurando o CFX-Pre
Inicie o CFX-Pre com o botão direito na quarta célula, setup, do Workbench e
Edit.
6.3.7.1 Criando a variável da mistura
Para viabilizar a modelagem da combustão, deve-se criar uma mistura de
composição variável.
1 Em Outline Tree, clique com o botão direito em materials > Insert
> Material.
2 Defina o nome como “GLP” (gás liquefeito de petróleo composto
por 50% em massa de propano C3H8 e 50% em massa de butano
C4H10) e clique em ok.
3 Aplique as configurações abaixo:
Basic
Settings
Option Reacting Mixture
Material Group Gas Phase Combustion
Reactions List GLP
Mixture
Properties
Mixture Properties (Selected)
Mixture Properties > Radiation Properties > Refractive Index (Selected)
Mixture Properties > Radiation Properties > Absorption Coefficient (Selected)
Mixture Properties > Radiation Properties > Scattering Coefficient (Selected)

274
6.3.7.2 Criando o Domínio
1 Dê um duplo clique em default Domain e aplique as configurações abaixo:
Basic
Settings
Location and Type > Location
B171, B172, B173,
B174, B175
Fluid and Particle Definitions Fluid 1
Fluid and Particle Definitions > Fluid 1 > Material GLP
Domain Models > Pressure > Reference Pressure 1 [atm]
Fluid
Models
Heat Transfer > Option Thermal Energy
Combustion > Option Eddy Dissipation
Combustion > Eddy Dissipation Model Coefficient B (Selected)
Combustion > Eddy Dissipation Model Coefficient B > EDM Coeff. B 0.5
Thermal Radiation > Option P 1
Component Models > Component > N2 (Selected)
Component Models > N2 > Option (Selected)
2 Clique em ok.
6.3.7.3 Criando as Boundaries
6.3.7.3.1 Boundary de entrada de combustível
1 Crie uma nova Boundary clicando em Bondary , nomeando-a como
fuelin.
Basic
Settings
Boundary Type Inlet
Location fuelin
Boundary
Details
Mass and Momentum > Mass Flow Rate 0.001873 [kg s^-1]
Heat Transfer > Static Temperature 300 [K]
Component Details > C3H8 (Selected)
Component Details > C3H8 > Mass Fraction 0.5
Component Details > C4H10 (Selected)
Component Details > C4H10 > Mass Fraction 0.5
3 Clique em ok.

275
6.3.7.3.2 Boundary de entrada de ar no turbilhonador
Duas condições separadas da Boundary serão aplicadas para o ar de entrada
principal. A primeira é na entrada da câmara de combustão. A entrada da câmara de
combustão emprega palhetas que dão um turbilhonamento no ar.
1 Crie uma nova Boundary clicando em Bondary , nomeando-a como airin.
Basic
Settings
Boundary Type Inlet
Location airin
Boundary
Details
Component Details > O2 (Selected)
Component Details > O2 > Mass Fraction 0.232 [1]
1. A fração de massa remanescente na entrada será criada
pelo componente restringido, N2.
3 Clique em ok.
6.3.7.3.3 Boundary de entrada de ar na zona primária
A segunda entrada de ar está localizada na lateral da câmara de combustão e
introduz um ar extra para a combustão.
1 Crie uma nova Boundary clicando em Bondary , nomeando-a como
air1in.
Basic
Settings
Boundary Type Inlet
Location air1in
Boundary
Details

277
6.3.7.3.4 Boundary de entrada de ar na zona secundária
A terceira entrada de ar está localizada na lateral da câmara de combustão e
modela a chama para o eixo central da câmara de combustão
1 Crie uma nova Boundary clicando em Boundary , nomeando-a como
air2in.
Basic
Settings
Boundary Type Inlet
Location air2in
Boundary
Details
3 Clique em ok.
6.3.7.3.5 Boundary de entrada de ar na zona de diluição
A quarta entrada de ar está localizada na lateral da câmara de combustão e
modela a chama para o eixo central da câmara de combustão
1 Crie uma nova Boundary clicando em Boundary , nomeando-a como
air2in.
Basic
Settings
Boundary Type Inlet
Location air3in
Boundary
Details

278
3 Clique em ok.
6.3.7.3.6 Boundary de saída
1 Crie uma nova Boundary clicando em Boundary , nomeando-a como out.
Basic Settings Boundary Type Outlet
Location out
Boundary Details Mass and Momentum > Option Average Static Pressure
Mass and Momentum > Relative Pressure 0 [Pa]
3 Clique em ok.
6.3.7.3.7 Boundary das palhetas
As palhetas na entrada da câmara de combustão serão modeladas como
superfícies finas. Para criar as palhetas como uma superfícies fina, você deverá especificar
as condições de cada lado
Você deve primeiramente criar uma nova região que contenha um dos lados das
oito palhetas.
1 Crie uma nova Composite Region em Insert > Regions > Composite
Region.
2 Nomeie como VaneSurfaces
Basic Settings Dimension (Filter) 2D
Region List
F190.172,F199.171,F201.1
71,F196.172,F198.172,F19
4.172,F193.172,F191.172
4 Clique em ok.
5 Crie uma nova Composite Region nomeada como VaneSurfacesOtherSide.

279
Basic Settings Dimension (Filter) 2D
Region List
F190.175,F199.172,F201.1
72,F196.173,F198.173,F19
4.174,F193.174,F191.175
7 Clique em ok.
8 Crie uma nova boundary nomeada como vanes
Basic Settings Boundary Type Wall
Location VaneSurfaces,VaneSurfacesOtherSide
10 Clique em ok.
6.3.7.4 Configurando o Initial Values
1 Clique em Global Initialization .
Global Settings
Initial Conditions > Cartesian Velocity Components > Option Automatic with Value
Initial Conditions > Cartesian Velocity Components > U 0 [m s^-1]
Initial Conditions > Cartesian Velocity Components > V 5 [m s^-1]
Initial Conditions > Cartesian Velocity Components > W 0 [m s^-1]
Initial Conditions > Component Details > O2 (Selected)
Initial Conditions > Component Details > O2 > Option Automatic with Value
Initial Conditions > Component Details > O2 > Mass Fraction 0.232 [1]
Initial Conditions > Component Details > CO2 (Selected)
Initial Conditions > Component Details > CO2 > Option Automatic with Value
Initial Conditions > Component Details > CO2 > Mass Fraction 0.01
Initial Conditions > Component Details > H2O (Selected)
Initial Conditions > Component Details > H2O > Option Automatic with Value
Initial Conditions > Component Details > H2O > Mass Fraction 0.01
1. A condição inicial que o domínio consiste principalmente de ar e
a fração de oxigênio no ar atmosférico é de 0,232. Uma fração

280
pequena dos reagentes (CO2 e H20) é necessária para o modelo
EDM para iniciar a combustão.
3 Clique em ok.
6.3.7.5 Configurando o Solver Control
1 Clique em Solver Control .
Basic Settings
Convergence Control > Max. Iterations 100
Convergence Control > Fluid Timescale Control > Timescale Control
Physical
Timescale
Convergence Control > Fluid Timescale Control > Physical
Timescale
0.025 [s]
3 Clique em ok.
4 Vá a File > Quit para fechar o CFX-Pre.
6.3.7.6 Obtendo a solução usando o CFX-Solver Manager
Inicie o CFX-Solver com o botão direito na quinta célula, solution, do Workbench
e Edit.
1 Configure o Initialization option para Initial Conditions.
2 Clique em Start Run.
Abaixo os gráficos de:
• Variação de Massa das partículas e do Momento nas direções u,v e
w,em relação ao tempo - figura 89;
• Variação de Transferência de Calor (energia térmica e radiação) -
figura 90;
• Variação de turbulência (dissipação Eddy K e turbulência KE) - figura
91;
• Variação da fração mássica de C3H8, C4H10, CO2, H20 e O2 - figura 92.

281
Figura 89 - Variação de Massa do Momento, em relação ao tempo no CFX-Solver Manager (ANSYS
WORKBENCH V.13)

282
Figura 90 - Variação de Transferência de Calor, em relação ao tempo no CFX-Solver Manager (ANSYS
WORKBENCH V.13)

283
Figura 91 - Variação de turbulência, em relação ao tempo no CFX-Solver Manager (ANSYS WORKBENCH V.13)

284
Figura 92 - Variação da fração mássica, em relação ao tempo no CFX-Solver Manager (ANSYS WORKBENCH
V.13)

285
Figura 93 - Range dos resultados das variáveis no CFX-Solver Manager (ANSYS WORKBENCH V.13)

286
6.3.7.7 Visualizando os Resultados usando o CFD-Post
6.3.7.7.1 Visualizando a Temperatura
1 Crie um novo plano chamado Plane 1.
Geometry Definition > Method XY Plane
Color Mode Variable
Mode > Variable Temperature
3 Clique em ok.
A figura 94, abaixo, mostra a distribuição de temperatura no plano XY da câmara
de combustão. Podemos notar que, para uma vazão mássica de 0,001873 kg/s de GLP e
0,223 de ar atmosférico obtemos uma temperatura aproximada de 1153 K (880˚C),
Figura 94 - Temperatura da chama modelada em plano no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)

287
6.3.7.7.2 Visualizando os vetores de Velocidade
1 Crie um novo vetor chamado Vector 1.
Geometry Definition > Location Plane 1
Symbol Symbol Size 2
3 Clique em Apply.
4 Crie um novo plano chamado Plane 2.
Figura 95 - Temperatura da chama modelada em volume no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)

288
Geometry Definition > Method ZX Plane
Definition > Y 0.03
Plane Bounds > Type Rectangular
Plane Bounds > X Size 0.5 [m]
Plane Bounds > Z Size 0.5 [m]
Plane Bounds > X Angle 0 [degree]
Plane Type > Slice (Selected)
Render Draw Faces (Cleared)
6 Clique em Apply.
7 Modifique o vector 1.
Geometry Definition > Location Plane 2
9 Clique em Apply.
Figura 96 - Vetores de velocidade do fluido no SWIRLER no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)

289
Figura 98 - Vetores de velocidade em vórtice do fluido no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)
Figura 97 - Vetores de velocidade do fluido no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)

290
Figura 100 - Variação da Intensidade de Radiação em volume do fluido no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH
V.13)
Figura 99 - Variação da Entropia Estática em volume do fluido no CFX-Post (ANSYS WORKBENCH V.13)

291
6.4 Considerações
Ao analisar os resultados do CFX-Post podemos concluir que a câmara de
combustão foi dimensionada corretamente, uma vez que o perfil da chama é modelado,
afastando-se das paredes internas do LINER. Um dado importante é que a chama se
mantém estável durante o processo de combustão.
A idéia do grupo de desenvolver um bico injetor com saída dos 6 furos a 45 graus
se mostrou útil na medida que contribuiu com a mistura do GLP com o ar atmosférico
turbilhonado pelo SWIRLER (gerador de vórtice) e o ar da zona primária. Uma das
dúvidas no início do projeto era se o bico injetor iria conseguir desempenhar seu papel na
câmara de combustão, pois é um dos componentes mais críticos no processo da queima e
na simulação pudemos testar seu desempenho.

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