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Master's Dissertation
DOI
10.11606/D.3.2013.tde-04112014-102047
Document
Author
Full name
Natashe Nicoli Branco
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2013
Supervisor
Committee
Pimenta, Marcos de Mattos (President)
Lacava, Pedro Teixeira
Oliveira Júnior, Silvio de
Title in Portuguese
Estudo analítico do mecanismo de blowout de chamas de difusão turbulenta.
Keywords in Portuguese
Estabilidade de chamas
Jatos
Mecanismo de blowout
Turbulência
Abstract in Portuguese
A compreensão dos mecanismos de estabilidade de chamas é de extrema importância tanto para o projeto/dimensionamento de queimadores utilizados em fornos e fornalhas industriais, câmaras de combustão de turbinas a gás e flares; como para a substituição de combustíveis em queimadores existentes. Há um intervalo de condições (como velocidade de descarga do jato e concentração de combustível na mistura gasosa) na qual a combustão estável pode ser mantida, sendo limitada por dois fenômenos denominados como liftoff (descolamento da base da chama do bocal e posterior estabilização desta a certa distância do bocal) e blowout (desprendimento e extinção da chama). Por razões de segurança, operações próximas às condições em que o blowout pode ocorrer devem ser evitadas. Muitas teorias têm sido publicadas para descrever as características de liftoff e blowout de chamas de difusão turbulenta. Este trabalho apresenta algumas destas teorias, bem como as hipóteses assumidas e os processos físicos considerados responsáveis por estes fenômenos (liftoff e blowout). Correlações para a previsão da velocidade de blowout e resultados experimentais disponíveis na literatura também são apresentados. Uma nova correlação para a velocidade de blowout é proposta, a qual se baseia nos movimentos de grande escala observados em jatos turbulentos e no adimensional número de Damköhler (relação entre o tempo de cinética química e o tempo de mistura dos reagentes e destes com os produtos da reação). Comparações entre as previsões da correlação proposta com resultados experimentais e com previsões de outras correlações disponíveis na literatura foram realizadas, para diferentes combustíveis e diâmetros de bocais. A correlação proposta apresentou boa concordância com os resultados experimentais. A partir das análises desenvolvidas neste trabalho, verificou-se que a velocidade de blowout de chamas de difusão turbulenta é função das propriedades do combustível, das características do bocal, das condições do ambiente e do adimensional número de Damköhler.
Title in English
Analytical study of the blowout mechanism of turbulent diffusion flames.
Keywords in English
Blowout
Flame stability
Jets
Turbulence
Abstract in English
The study of flame stability is very important to the design of burners used in industrial ovens and furnaces, combustion chambers of gas turbines and flares; and fuel substitution in burners. There is a range of conditions (for example gas velocity at the nozzle exit and jet fuel concentration in the gas mixture) at which stable combustion can be maintained, being limited by two phenomena called liftoff and blowout. Lift-off is the detachment of the flame from the fuel nozzle, and blowout its detachment and extinction. Operating conditions close to stability limits should be avoided for security reasons. Many theories have been published to describe the blowout and lifted characteristics of turbulent jet diffusion flames. This document presents some theories, as well as the assumptions and physical processes considered responsible for these phenomena (liftoff and blowout). Correlations for predicting the blowout velocity and experimental results available in the literature are also shown. A new correlation is proposed, which is based on large-scale motions observed in turbulent jets and the dimensionless Damköhler number (ratio of the characteristic chemical reaction time and the time associated with the mixing of reentrained hot products into fresh reactants). Comparisons between the predictions of the proposed correlation with experimental results and predictions of other correlations available in the literature were performed for different fuels and nozzle diameters. The proposed correlation showed good agreement with the experimental results. The analyses developed in this work allow us to conclude that the blowout velocity of the turbulent diffusion flame depends on the fuel properties, characteristics of the nozzle, the environmental conditions and the Damköhler number.
 
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Publishing Date
2014-11-04
 
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