Estudo do comportamento de descargas elétricas em misturas ar/metano

Crispim, Lucas Wilman da Silva

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Type:	Dissertação
Title:	Estudo do comportamento de descargas elétricas em misturas ar/metano
Author:	Crispim, Lucas Wilman da Silva
First Advisor:	Loureiro, Felipe dos Santos
Co-Advisor:	Furones, Maikel Yusat Ballester
Co-Advisor:	Goliatt, Priscila Vanessa Zabala Capriles
Referee Member:	Oliva, José de Jesús Rivero
Referee Member:	Konzen, Pedro Henrique de Almeida
Referee Member:	Santos, Rodrigo Weber dos
Resumo:	Este estudo tem como objetivo a modelagem numérica do efeito de descarga elétrica em misturas de ar e metano, considerando um modelo bidimensional que envolvem transferência de calor e de massa, além de um submodelo discreto de distribuição da energia das colisões eletrônicas entre as diversas espécies presentes na mistura. O domínio foi dividido em duas regiões, com e sem descarga eletrônica. Para a região de descarga são considerados efeitos das colisões com elétrons, químicos e de transferência de calor e de massa, para a região externa a descarga são considerados efeitos químicos, de transferência de calor e de massa. Foram simuladas quatro configurações diferentes de descarga em mistura representando ar seco e uma simulação de descarga em misturas de ar com metano. Neste trabalho considera-se o ar como fluido incompressível e composto por diversas espécies. Para encontrar a solução aproximada do modelo foi aplicado o método das diferenças finitas em um meio heterogêneo, foram também utilizadas estratégias numéricas para a separação de determinados termos nas equações, e por fim a resolução destes termos foram obtidas através da ferramenta de análise de plasma zero dimensional, ZDPlasKin. No domínio do tempo, foi utilizado o método de Euler, um esquema numérico explicito. Utilizou-se uma configuração para a descarga eletrônica de 10% para o regime de trabalho, e foram analisados dois tipos de misturas gasosas, uma representando uma mistura de N2 _ O2, e outra representando uma mistura de metano e ar. Foram analisados resultados referentes ao perfil de temperatura no domínio em diferentes instantes de tempo, além de analisar a variação temporal em diversas espécies contidas nas misturas, em determinados pontos do domínio. Devido ao alto custo de resolução de determinados termos das equações, foi utilizada uma estratégia de paralelização do tipo Mestre-Escravo na API (Application Programming Interface) de programação paralela MPI (Message Passing Interface). Foi observado através dos resultados o aquecimento e a difusão do calor da região de descarga para a região externa, e a difusão de espécies excitadas geradas na região de descarga para a região externa. Conseguiu-se observar nos resultados o aquecimento da região externa devido a condução do calor e a difusão de espécies geradas na região de descarga que saem por difusão para região externa, e esta migração contribuiu para o aquecimento da região externa, uma vez que estas espécies tendem a relaxação na região externa a descarga.
Abstract:	This study aims the numerical modeling of electrical discharge in mixtures of air and methane, considering a two-dimensional model that involves a heat mass transfer, besides a discrete submodel of electronic distribution of collisions among several species in the mixture. The domain was divided into two regions, with and without discharge. The discharge region considers the effect of collisions with electrons, heat and mass transfer and chemical effects. Four simulations sets of discharge in mixture with dry air and another mixture with air and methane were executed. This study considers the air as incompressible formed by several species. To find the solution of the mathematical model, the finite difference method in a heterogeneous medium was applied; in addition, numerical techniques to split some operators of the equation were also adopted. Finally, the approximate solution of these models were obtained by a zero dimensional plasma analysis tool, ZDPlasKin. In the time domain, the Euler method, an explicit numerical scheme, was used. The electronic discharge was set 10% to the work scheme; and two types of gas mixture were analyzed, one representing a mixture of N2 _ O2 and another with methane and air. Results referring to the temperature profile in the domain in different time steps were analyzed, as well as the temporal variation of several species contained in the mixtures in some points of the domain. Due to the high computational cost demanded to solve some equation terms, a master-slave parallelization strategy through MPI (Message Passing Interface), a parallel programming API (Application Programming Interface) was used. The results ilustrated the heating and heat diffusion from discharge region to external region, and the diffusion of excited species generated from the discharge region to external region. The heating in external region occurred due to heat conduction and species diffusion generated in the discharge region (that diffunding through external region). This migration contributed to the heating of external region, since these species tending to de-excitation in region out of discharge.
Keywords:	Combustão Colisões eletrônicas Misturas de gases Combustível Transferência de calor Combustion Electronic collisions Gas mixtures Fuel Heat transfer
CNPq:	CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA
Language:	por
Country:	Brasil
Publisher:	Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Institution Initials:	UFJF
Department:	ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program:	Programa de Pós-graduação em Modelagem Computacional
Access Type:	Acesso Aberto
URI:	https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/3546
Issue Date:	10-Mar-2015
Appears in Collections:	Mestrado em Modelagem Computacional (Dissertações)

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