A Figura 5.11 mostra as medições da temperatura adimensional (T*) da chama e da pluma através da termografia, e na Figura 5.12 são apresentados os campos de temperatura
adimensional (T*) obtidos com o FDS para comparação. A diferença principal é que o programa não possui a uma opção de colocação das caixas de medição (Box 1 e 2), então este dado é obtido através da exportação do plano de medição pelo programa adicional incorporado ao programa, fds2ascii, que faz a tradução do plano de medição para dados numéricos.
Na Figura 5.11, é possível observar a variação da posição das caixas de medição de acordo com o avanço da velocidade do vento. O Box 1 foi movido ao longo dos testes para manter o afastamento de aproximadamente 30 mm da ponta da chama e fazer a medição da temperatura da pluma.
Cada caixa obtém as medidas máximas e mínimas de temperatura para a sua posição e os dados são tratados para obtenção dos valores médios conforme mostrado na Figura 5.13, para a temperatura da chama, e na Figura 5.14 para a temperatura da pluma, e identificadas, respectivamente, pelo Box 2 e Box 1.
Figura 5.11 – Evolução das caixas de medição da temperatura adimensional (T*) da chama e da pluma em função da velocidade do vento para o ensaio experimental de diesel
Figura 5.12 – Campos de temperatura adimensional (T*) da chama e da pluma em função da velocidade do vento para o ensaio numérico de diesel
Os valores da temperatura adimensional (T*) da chama foram analisados através do uso de termografia.
Os dados desta análise foram obtidos a partir das análises termográficas e os valores são aproximações, que possibilitam uma análise qualitativa. A análise foi feita de forma estatística em 300 amostras, conforme explicado na metodologia, que mostram a tendência da temperatura adimensional da chama. Foi utilizada uma incerteza de medição com grau de confiança de 95% para apresentar os erros das medidas associado ao erro de leitura do instrumento.
Foi observado que, à medida que a velocidade do vento aumenta, a temperatura aumenta também. O aumento da temperatura com a velocidade do vento é esperada, já que uma maior quantidade de oxidante (ar) é carregada até a chama (na direção do centro da poça), assim a localização onde a combustão ocorre é continuamente modificada à medida que a velocidade do vento muda também. Isto faz com que a borda da chama se aproxime mais do centro da poça e então a temperatura aumenta naquela posição.
Os valores de aumento da temperatura foram maiores para o biodiesel, isso é atribuído em geral à parcela de O2 presente no próprio combustível e que ajuda na sua oxidação,
aumentando sua temperatura. Outro fator que pode ter contribuído para que as temperaturas do biodiesel apresentem valores maiores pode estar relacionado ao fato de que o biodiesel possui um ponto de fulgor bem maior do que o do óleo diesel, por isto, durante os ensaios experimentais foi necessário pré-aquecer os combustíveis, sendo que o óleo diesel foi pré- aquecido a cerca de 323 K enquanto o biodiesel necessitou de um pré-aquecimento de 393 K. Observando a Figura 5.13 é possível perceber que a temperatura sem a incidência de vento, para o biodiesel, é bem maior, induzida pela temperatura inicial do combustível pré-
aquecido, e depois, quando entra o escoamento sobre a chama e temos a troca de calor convectiva incidindo na chama e nas paredes da poça, que ajudam a resfriar o líquido, a temperatura acaba por assumir uma tendência muito parecida com aquela apresentada pelo diesel, que foi igualmente pré-aquecido, mas com temperatura inferior. A diferença média entre os valores da temperatura do biodiesel foi 50% superior aos do diesel.
Figura 5.13 – Variação da temperatura adimensional da chama experimental e numérico versus a velocidade do vento
Os testes com diesel apresentaram temperatura máxima de 729,7 K na velocidade de 4 m s-1 enquanto o biodiesel apresentou uma temperatura máxima de chama de 912,4 K na
mesma velocidade, o que representa uma diferença de mais de 40% superior ao diesel.
Para os ensaios numéricos o comportamento encontrado não foi o mesmo, contudo os valores das temperaturas sem a presença de escoamento incidente foram maiores do que aqueles encontrados nos dados experimentais. Uma possível razão para esta diferença pode ser atribuída à temperatura inicial predita no programa e também a um superestimação por parte do FDS para o processo.
Não foi possível fazer uma análise físico-química dos combustíveis, devido a isto uma grande parte dos parâmetros de entrada foi determinada com dados da bibliografia existente. Em geral os valores são resultados médios, o que pode justificar o aparecimento das diferenças entre simulações e experimentos.
Outro dado importante é que a temperatura inicial do óleo diesel necessitou ser maior na simulação do que no teste experimental, uma vez que o programa não conseguiu produzir a
queima do combustível com temperatura inicial inferior a 353 K. Além disso, como não foi determinado o perfil completo do túnel de vento, e não foi prevista uma taxa de vorticidade e um número de vórtices no escoamento de ar, solicitado no programa, é possível que a redução da turbulência tenha provocado um efeito diferente nos resultados numéricos.
A comparação dos resultados das duas simulações com velocidade nula, mostrou que as temperaturas adimensionais para o biodiesel foram cerca de 34% maiores do que para o diesel, de forma semelhante ao ensaio experimental. Nos valores a partir de 2,0 m s-1, a
diferença entre os valores, experimental e numérico, encontrados para as simulações ficaram inferiores aos valores dos resultados experimentais. O decremento dos valores, ao invés de incremento, tanto para o diesel quanto para o biodiesel, é inverso ao ocorrido com os experimentos e uma hipótese plausível que pode explicar esta diferença é o método de resolução de fenômenos de transporte conduzido pelo FDS onde este resfriamento do biodiesel pode ter sido produzido pela simplificação da fórmula química do combustível líquido. McGrattan et al. (2016) cita que, no FDS, não é considerada a convecção entre o líquido e a camada superficial. Além disso, pode se atribuir esta diferença às propriedades do combustível definidas inicialmente.
O fato mencionado anteriormente, de que foi observada uma tendência de extinção da chama ao longo do tempo de teste, mostra que o método de resolução do FDS provocou uma transferência de calor para o ar incidente maior do que aquela produzida pelo experimento, e a convecção forçada pelo escoamento incidente resfriou o combustível e também a chama a ponto de provocar sua extinção.
Os resultados das simulações apresentaram temperaturas menores em cerca de 42% em relação àquelas encontradas nos ensaios experimentais, para as velocidades a partir de 2 m s-1, onde ocorre a inversão dos valores, já que anterior a esta velocidade ensaiada, as
temperaturas são maiores em cerca de 130% se comparadas aos valores experimentais.