EstudoExperimentalda Instabilidadede ChamasDifusivas
ENIZETE A. GONÇALVES
GABRIELA S. MOURA
LUIZ E M. LIMA
FERNANDOF. FACHINI
InstÌttttoi'acíonal de PesqttìsasEspacíais(l\PE), 12630-000,Cachoeira
Po'ulísta,SãoPaulo, Bt'asÌ1.
S u m ári o
Este trabalho apresentaa verificaçãoexperimentalda multiplicidade dos
regimesde queimae da estabilidadede chamasdifusivas.Paraisso utiliza-seda
queima parciaimenteconfinada de uma vela. O confinamentoé alcançadopor
meio de um duto de vidro. Através da variaçãona distânciaentre a base do
pavio da vela e a saídado duto consegue-se
variar a quantidadedisponívelde
oxigênio à chama.Quandoo pavio estácompletamente
fora do duto, observa-se
uma chamacompletamenteestável.A medidaque a vela entrano duto, nota-se
um regime oscilatório de queima, visualmente a chama passa de um estado
visível a um invisível e assim sucessivamente.
Se a distânciaentrea posiçãoda
vela com relação à saída do duto aumentar,observa-seo regime instável de
queima:e a extinçãoda chama.
Introdução
Em geral, chamaspodem ser divididas em duas classes:Chamasprémisturadase chamasdifusivas. A chamapré-misturadaé caractenzadapela pré,mistura do combustívelgasosoe ar antesque ocoÍïa a ignição. Por outro lado, a
chama difusiva é caractenzada pelo encontro do ar e combustível
coincidentemente
com a ocorrênciada combustão.Como exemplove1a,fósforo,
queimadortipo turbina a gás e outros. A queima da vela é um processode
combustãoque é freqüentemente
utilizadapara a visualizaçãoimediatadasmais
diversascaracterísticas
fenomenológicasda chamadifusiva.Tem sido utilizada
por pesquisadores
para estudarestrutura,efeitosde camposelétricos,oscilação
espontânea,fenômenode variaçãona luminosidadee extinçãoda chama li].
Nestetrabalhoa multiplicidadedo regimede queimae a estabiiidadede chamas
difusivas são analisadasexperimentalmentecom a utilizacão de uma vela
parcialmenteconfinadanum duto de vidro.
A multiplicidade do regime de queima e a estabilidadede chamas
difusivas foram estudadasoriginalmenteem meadosda décadade 60 l2). A
geometriaé retangularporqueo duto utilizadoé retangular.A posiçãodo duto é
Nestesistemao combustívelé
adiabáticas.
vertical e suasparedesconsideradas
injetado pela parte inferior do duto e o oxigênio é presenteno ambientefora
simples,pode-seanalisarnumericamente
deste.Com estemodelorelativamente
o re-Eimeinstávelde queima e a extinçãoda chama quando a condiçãode
fronteiras adiabáticasé alterada ou o número de Lewis Le (tazão das
yelocidades
de conduçãode calore de difusãode massa)ercedea unidade.
com o empregode
O mesnto problemafoi estudadoanaliticamente
métodos assimptóticost3.1] Os resultadosconfirmaram aqueles obtidos
previamentee conse-quiramdeterminar faixas de influência do número de
Damkohler D (razão do tempo mecânico e o tempo químico). Foram
identificadosdois valorespara o númerode Damkohler,Da e Do. ParaD<Da.
chama se extingue.Entretanto,para as condiçõestais que Da < D < Do, os
resultadosmostrarammúltiplas soluçõespara o regime de queima.E para D>
Do, o regimede queimaé estável.Expressandoa taxa de queimaem funçãodo
número de Damkohler obtem-securvas em forma de S, na volta inferior do S
a extinção.
coÍrespondea igniçãoe na volta superiordo S corresponde
Com o empregodo método da continuação,apropriadopara o estudode
soluçõesinstáveis,todos os regimesde queimaforam descritoscompletamente
[5,6].
Até então, todas as análises trataram da estabilidadedas soluções
estacionárias.Entretanto,mais recentemente,o problema da chama difusiva
confinadafoi resolvidode forma a mostraro regimeoscilatório[7] e tambérno
regimede chamascelulares[8].
Nesteestudoexperimentalbusca-seuma forma simplificadade observar
descritos.O queimadorde Kirkbey e Schmitz [2] é
os fenômenosanteriormente
substituídopor uma vela dentro de um duto cilíndrico. Ao variar a posiçãoda
variar a quantidadede oxigênioque chegaa
vela no interiordo duto consegue-se
chama.Com isso pode-seestudaralgunsregimesinstáveisde queima:a queima
no regimeoscilatórioe a extinçãoda chama.
Formulaçãodo Modelo
Esquemado transportede combustívele oxidanteparaa chama.
òYn
òX
E:Coúrl-ÌÈoìrr
Steian
òY,,
'òx
Ov"
pavlo
--- l+L
Chama
rA
Convecçãonatlrral
n
L_l
onde ó = espessura
da chama
Pavio.
Duto de vidro
Coryo inene . ...
e m b r a n sac m ip e r m e d v e l
+-Combustível
T=To
Figural: Configuraçãodo modelo Figura 2: Configuraçãodo modelo
de Kirkbey e Schmitz
propostonestepresentetrabalho
A configuraçãoconsiderada
no desenvolvimento
do modelode Kirkbey e
Schmitz,mostradana Figura l, consisteem uma chamadifusiva estruturada
numa câmara de comprimento finito. O combustír'elé injetado pela parte
inferior da câmara,por convecção,a uma taxa Ìr{ constante.Temperaturae
concentrações
são assumidasconstantes.Na parte superiorda câmara,um
escoamentotransversalde ar está cruzandoa saída do duto permitindo um
processodifusivo do oxidante na câmara.O modelo proposto neste trabalho
como mostraa Figura 2, consisteem uma vela comum com um bastãomóvel
inseridosem um duto cilíndricode vidro. O combustívelentrapela parteinferior
do duto por convecçãoe o oxidante,por difusão,pela partesuperiordo duto. O
foi realizadoem condiçõesatmosféricas.
experimento
Note que quandoa Velaé acesa.o calor (vindo de um fósforoou fontede
pesado.na basedo pavio.Devido
ignição)derretea paratìna.um hiclrocarboneto
o par.io\er uÌn rnaterialporo\o.a parafinalíquidasobepor açãoda capilaridade
e enrão\e \ aporiza.Der ido à ntudançada faseda parafina.de faselíquidapara
e c<por ele que a parafina
fa:e -sa:o:a.um e\coamentodo tipo Stefané -uerado
_sasosaé Ievada para a chama (transporteconvectivo). Entretanto nas
por levar
proximidadesda chamao transportedifusivo é o principalresponsável
o combustívelao encontrodo oxigêniotambémtrazidopelo transportedifusivcl
no lado do ambienteparaa chama.
Foram assumidasas seguintescondiçõespara o modelo matemático:
escoamentolaminar,estacionárioe unidimensional.Paredesdo duto adiabáticas
fração mássica
com as variáveisconsideradas,YO, Y, e T (respectivamente
do oxidantefração mássicado combustívele temperatura)adimensionalizadas.
Densidade,p, difusividade, D, viscosidade,F, calor específico à pressão
constante,co, e condutividadetérmica,1",são assumidosconstantes,e pressão
atmosférica.
Com as suposiçõesacima, o estado estacionárioé governadopelas
seguintesequaçõesdiferenciaisadimensionalizadas:
* Y; + MY;
- -D
YoYoe-t/' ,
- Le
+ MY: - - DY re-olr , relo,r[
"Y
"Y!
- Le
DY oYoe-olr,
oT" + MT'
(l)
com condicõesde contorno:
- te"YiQ)= 0, MT(O)-LerT'(0)= ME
MYr(O)-Y;(0) - M, ÌvlY"(O)
(2)
e
=Y,o, T(1trT ,
Ír(1)-g X,(1)
(3)
Y,,, é
onde Tn. T, sãotemperaturasfornecidasna entradae na saídado duto ,
a fraçãomássicado oxidantena partesuperior,6 é a energiade ativaçãona
Ler,é o do
reação.Le n éo numerode Lewis do combustível,enquanto
geralment"Luo L", - I .O problema
oxidante.Em várioscasosobserva-se
do problema
( I ) decresce
de 3 para 1 equação. em termosda temperatura
t e m o s:
-T-\fí=D\),€=
\tTr0r-T'(0)=\lT
T(l)=Tr
.
(4)
pela
em funçãoda temperatura
enquantoYu e )l podemserexpressadas
relaçãode Schvab-Zeldovich:
M ( *- t r
Y n G ) - T o - T ( x ) + ( Y o , + T , - T o) s
,
( 5)
Y oQ)- To -T(x) + 1- ( 1+ To - T, )ett*-'r.
Os dois parâmetrosdo problemasãoa taxade injeçãoM do combustível'
e o númerode DamkohlerD. O objetivodessaanáliseé a resoluçãofísicaR,
taxa de combustívelnão queimado,em funçãodestesdois parâmetrosM e D.
R é definido Por:
R - -Y;(r) t M
(6r
Materiais e Métodos
Para a reahzaçáodesseexperimentoforam utilizados uma vela comum
de parafina,um duto de vidro, com diâmetropróximo ao da vela, um bastãode
,uri.ntução fixado na base da vela, um suportepara segurafo duto, fósforos,
uma réguade metal,escala,e uma câmeradigital.
A metodologia utilizada consistiu de observaçõesna forma. cor.
luminosidadeda chama em diferentesdistânciasL. entre a base do pavio e a
saída do duto, bem como as osctlaçõesnas bordas de charna e tambérn a
extinçãoda chama.
Resultadose Discussão
O processode transportedo oxidantedependedas escalascaracterísticas
espaciaisconsideradas.
Paraa maior escala,muitasvezesa espessura
da chama.
a convecçãoé a responsár'el
por trazeroxidantepaÍa a proximidadeda chama.
Nestare-sião.
numaescalaespacialda ordemda espessura
da chama,a difusão
se encarre_ca
de transportaro oridanteparaa chama.A convecção
é geradapelo
p rodutosda combustão
e m p u\od o s sa se sq u e n te s:
e o iner lediluente.Quand oa
r ela e introduzidano duto. o confinamentolimita o processode transpoÌtepor
c o n re ccã o ..\ p a n i r d e u ma por içãoda vela no duto. a convecção
cessae o
oridanteé lerado somentepeladitusão.Entretanto.
processo
este
de transporte
é rápido \oÌnentena condiçãoencontrada
apenasna proximidadeda chamade
A -erande
distância,o transportepor difusãoé
,erandegradienteda concentração.
muito lento.
Portanto, a gradual introdução da vela no duto reduz o transporte
convectivo e o transportedifusivo não conseguesuprir todo o oxidantepara a
combustão.Ao mesmotempo que o transporteconvectivode oxidantediminui
com a introduçãoda vela no duto, o numerode DamkohlerD diminui também.
A combinaçãoda reduçãodo transportede oxidante à chama e do número de
Damkohler D faz o problemaapresentarmúltiplas soluções.Um indicadorda
multiplicidadedas soluçõesé o regime oscilatórioda chama e a extinçãoda
combustão.Esseprocessodescritoacima,da oscilaçãodo regimede combustão,
pode ser observadopela seqüênciade figuras3(a) a 3(i). Nestasfiguras,pode-se
notar tambéma distorçãoda chama.Isto se deve a interaçãodo campo fluido
(vórtices)externoa saídado duto com o topo da chama.
A luminosidadeda chamaé geradapelaspartículasde fuligem emitindo
na bandada radiaçãotérmica.
Fig. 3. Oscilaçãoe Extinçãoda chamada vela devido à variaçãoda distânciaentrea basedo pavio
e a saídado duto.
Na próxima figura, fotos 4(a) a 4(e), pode-seapreciara seqüênciado
regime de combustão sem oscilação periódica. Neste caso, a introdução
sucessivado vela no duto causa a reduçãona combustãoaté a extinção da
chama. Notar que o ambientetem oxidante suficientepara consumir toda a
parafina da vela, porem o exinticao ocoÍre porque o processode transporle
difusivo não é rápidoo suficienteem escalasespaciais-urandes.
Importanteobservaro comportamentoda fuligem. Com a diminuiçãoda
taxa de reação,a temperaturada chamadiminui e nestascondiçõesa formação
de fuligem é reduzida.A cor azuladada chamaé um indicativode chamalimpa.
?4,:,
ó",;i
Fig. 4. Oscilaçãona cor e luminosidadeda chamada vela devido à variaçãoda distânciaentrea base
do pavio e a saídado duto.
Fig" t. Oscilaçãona cor e luminosidadeda chamada vela devido à variaçãoda distânciaentrea basedo pavio
e a saídado duto.
C o n cl u sã o
Devido a introduçãoda vela no duto, o número de Damkohlere a
concentração de oxi_eêniodiminuíram. Oscilações,mudançasna cor e
luminosidade.
bem como a extinçãoda chamapuderamser observadas.
Neste
modelo o principaÌ transpoftede oxidante para a chama é realizad,opelo
processode difusão.O resultadoerperimentalconcordoucom a teoria.
R e f erê n ci aB
s i b l i o g rá fica s
I' Burke. S.P.e Schumann.T. E. \\'. DitfustonFlames.ContbttçtionLItÌlities
Corporatìon.
2. Kirkbel'.L.L.. Schmitz.R.A.. (1966)AnanalyticalStudyof the Stablityof a
LaminarDiffusion Flame,Combustionand Frame,I0'205-220.
3. Alsairafi, A., Lee, S., T'ien, J. s., (2004), Modeling Gravie e.ffecton
dfusion flames stabilízed around a cylindrícal wick saturatecJwíth lÌqttict
fuel. Combust.Sci. andTech. 176.2165-219l.
4. Mansurov,Z. A. (2005) Sootformatíon in combustionprocesses.4l:727144.
5. Heitor, M.v, Taylor, A.M.K.p e whitelaw, J.H.(19g4).Influence o.f
confinement on combustion instabílities of premixed
flames stabilizeclon
axisymmetric bffies.
6. Mitchell, R. E. (1980)Experimentaland numericalinvestigationof confinecl
lamínar dffision flames. combustíonand Frame,3i :227-244.
l' NASA SP-8113 (1974). Líquid rocket engine combustíonstabílization
devices.
8' Zinn, B.T. (1992)Pulse combustion;recentapplicationson research issttes.
Proc. int. symposíumon combustíon.24.
9. Buckmaster, J. (2002) Edge-flames. progress in Eruergy and
CombustioruScience 28.485-475.
l0'Buckmaster, J. (1996) Edge-Jtames
and their stabítíty.Combttst. scí. and
T e c h .1 1 5 :4 1 - 6 8 .
ll.Jiang, X, Luo, K. H. (2003) Dynamicsand structureof transitionalbnoy,ant
iet dffision flames with side-wall elfecrs.Combustion and Flame. 133:2945.
l 2 . w il l i a ms, F . A . (1 9 8 5 )C om bustion
Theor y.2nd
ed. Addison- wesley.
M en l o
P a rk,C A , 1 9 8 5 P
. p .4 6 .