Nome do Projeto
Modelagem matemática aplicada a combustão de biocombustíveis
Ênfase
Pesquisa
Data inicial - Data final
01/09/2020 - 01/09/2024
Unidade de Origem
Coordenador Atual
Área CNPq
Ciências Exatas e da Terra
Resumo
As simulações computacionais com mecanismos cinéticos detalhados na combustão de biocombustíveis tornam-se complicados pela existência de radicais altamente reativos que induzem rigidez significativa para as equações governamentais. Por conseguinte, existe a necessidade de desenvolver mecanismos reduzidos com menos variáveis e rigidez moderada, mantendo a precisão detalhada do mecanismo. Sendo assim, a modelagem matemática torna-se essencial para a análise e simulação de tais processos. Além disso, Regulamentos sobre poluentes cada vez mais rigorosos e cada vez mais presentes na demanda de energia, impulsionou a necessidade de desenvolvimento de tecnologias de combustão de alta eficiência e combustíveis alternativos para combustão mais limpa, eficiente e ambientalmente sustentável. O evento de combustão, desempenho e emissões características de novas tecnologias de combustão são tipicamente controlados pelas características de autoignição dos combustíveis, destacando a importância das propriedades químicas do combustível. Assim, mecanismos cinéticos químicos precisos são de grande importância para simulação de conceitos avançados de motor a combustão, assunto esse abortado nesse projeto.

Objetivo Geral

O objetivo principal deste trabalho é desenvolver uma estratégia para a diminuição do trabalho necessário para resolver o sistema resultante de equações de espécies químicas para biocombustíveis.

A estratégia de redução consiste em cinco etapas: 1) estimar a ordem de grandeza das taxas de reação química, 2) definir a cadeia principal, 3) aplicar o equilíbrio de estado estacionário e das equações parciais 4) justificar os pressupostos via análise assintótica e 5) estabelecer novos parâmetros para avaliação das espécies químicas.

A principal vantagem dos mecanismos reduzidos é a redução do trabalho necessário para resolver o sistema de equações químicas. Essa redução é proporcional a ordem do número de reações elementares presentes no mecanismo completo.

Comparar os resultados numéricos com dados existentes da literatura, advindos de softwares comerciais, como o GASEQ, por exemplo e ou por experimentos disponibilizados pelo Sandia National Laboratories, será um dos pontos abordados no projeto.

Justificativa

Regulamentos sobre poluentes cada vez mais rigorosos e cada vez mais presentes na demanda de energia, impulsionou a necessidade de desenvolvimento de tecnologias de combustão de alta eficiência e combustíveis alternativos para combustão mais limpa, eficiente e ambientalmente sustentável. O evento de combustão, desempenho e emissões características de novas tecnologias de combustão são tipicamente controlados pelas características de autoignição dos combustíveis, destacando a importância das propriedades químicas do combustível (Persson, 2011). Assim, mecanismos cinéticos químicos precisos são de grande importância para simulação de conceitos avançados de motor a combustão.
O éter dimetílico (DME), por exemplo, é um combustível alternativo promissor para compressão motores de ignição, uma vez que podem fornecer baixas emissões de fuligem e ser sintetizado a partir de energia renovável de fontes emergente, como biomassa e fontes de combustível fóssil existentes (Semelsberger, 2006). Alguns mecanismos foram obtidos e publicados em meados dos anos 1980 para chamas pré-misturadas e não pré-misturadas (Peters e Rogg, 1993). Para a oxidação do hidrogênio é utilizado cerca de 10 espécies químicas e 20 reações elementares, enquanto que para a oxidação do etanol é utilizado cerca de 350 reações elementares entre 50 espécies químicas (Marinov, 1999). Já o modelo cinético químico do DME consiste em 351 reações e 82 espécies. Note que, a medida que a molecula aumenta, maior torna-se a dificuldade de simulação dos mecanismos cinéticos químicos.
As simulações computacionais com mecanismos detalhados tornam-se complicados pela existência de radicais altamente reativos que induzem rigidez significativa para as equações governamentais. Por conseguinte, existe a necessidade de desenvolver mecanismos reduzidos com menos variáveis e rigidez moderada, mantendo a precisão detalhada do mecanismo (Lu e Direito, 2006).
Para resolver problemas de valor inicial de rigidez, métodos numéricos adequados devem ser aplicados para que a solução numérica seja estável e convergente a um custo computacional aceitável. Apesar de ser bastante frequente o tratamento de problemas que apresentam rigidez, não temos uma definição matematicamente precisa que descreva bem essa característica. Adotam-se definições mais práticas, baseadas em experimentos numéricos. Curtiss e Hirschfelder (1952), foram os primeiros a concluir que problemas de rigidez precisam de métodos implícitos, pois esses possuem a região de estabilidade adequada, mais precisamente, possuem uma região de estabilidade ilimitada que cobre todo o semi-plano complexo com parte real negativa ou pelo menos parte ilimitada deste. Um pouco mais tarde, Shampine e Gear (1979) ganharam muita experiência em testes computacionais, oferecendo uma definição: o problema de valor inicial para EDOs é rígida se a matriz jacobiana do sistema, possui pelo menos um autovalor, para o qual a parte real é negativa com módulo elevado, enquanto a solução dentro da maior parte do intervalo de integração se modifica lentamente.
Propõe-se uma estratégia para obter mecanismos cinéticos reduzidos utilizando as hipóteses de equilíbrio parcial e de estado estacionário; na qual verifica-se o mecanismo reduzido que utiliza uma análise assintótica, posteriormente faz-se a escolha dos coeficientes otimizados para as reações químicas, via métodos diretos ou inversos e compara-se alguns valores numéricos com dados encontrados na literatura.

Metodologia

A estratégia de redução proposta aqui será:
- Estimar a ordem de magnitude das taxas de reação;
- Definir a cadeia principal;
- Aplicar os pressupostos do estado estacionário e de equilíbrio parcial;
- Justificar os pressupostos da análise assintótica.
- Resolver numericamente utilizando métodos implícitos para resolver o sistema de equação diferencial de rigidez.
- Encontrar os valores otimizados via métodos diretos ou inversos, para o problema abordado.
A velocidade específica K de cada reação elementar é obtido pela relação ki=ATβexp(-E / (RT)), onde A é o factor de frequência, T a temperatura , β o expoente da temperatura, E a energia de ativação, e R a constante dos gases. Com estes valores, calcula-se a magnitude das velocidades de reação que é definida uma cadeia principal para o processo de combustão.
Em um sistema homogêneo, a hipótese de estado estacionário é válido para as referidas espécies intermediárias que são produzidas por reações lentas e são consumidas por reações rápidas, de modo que as suas concentrações permanecem pequenas (Turns, 2000). A hipótese de equilíbrio parcial é justificada quando as velocidades específicas de frente e reações atrasadas são muito maiores do que todos as outras velocidades específicas da reação do mecanismo (Peters, 1988). Problemas deste tipo, possuem uma característica especial denominada rigidez, indicando que as soluções dos sistemas de equações diferenciais ordinárias envolvidos, variam em diferentes ordens de grandeza. Isso faz com que métodos numéricos adequados devam ser aplicados no intuito de obter soluções numéricas convergentes e estáveis.
Os métodos mais eficazes para tratar este tipo de problema são os métodos implícitos, pois possuem uma região de estabilidade ilimitada que permite grandes variações no tamanho do passo, mantendo o erro de discretização dentro de uma dada tolerância. Mais precisamente, estes métodos possuem a propriedade de A-estabilidade.
Neste trabalho, o método de Rosenbrock será utilizado para a solução das equações diferenciais das velocidades das espécies químicas, visto que este é um método de passo simples implícito com um controle de passo adaptativo.

Indicadores, Metas e Resultados

Este projeto beneficiará os cursos de graduação e pós-graduação da UFPel, permitindo o desenvolvimento de pesquisas nas áreas das ciências exatas e da terra e engenharias; estudo da técnica de mecanismos cinéticos reduzidos, com o objetivo de aplicá-la a outras áreas de conhecimento;
O projeto possibilitará a consolidação de linhas de pesquisas em programas futuros de cooperação com outras entidades. Finalmente, mas não menos importante, é a produção científica resultante.
Propõe-se, como produção científica, o desenvolvimento de artigos científicos internacionais e a apresentação de trabalhos em conferências da área.
Sob o ponto de vista técnico, a principal contribuição deste trabalho é o desenvolvimento de uma estratégia que consiste em 4 etapas para obter mecanismos cinéticos reduzidos para biocombustíveis, tais como o etanol, metanol, éter Dimetílico, entre outros aditivos do biodiesel. Além disso, a idéia central é que os modelos cinéticos de combustíveis comuns tenham uma estrutura hierárquica, ajudando a simplificar a análise de combustíveis em geral.
Este projeto também busca colaborar na área ambiental, servindo para embasar pesquisas relacionadas à crescente emissão de poluentes através da queima de combustíveis fósseis ou renováveis, na qual a redução e simplificação de mecanismos cinéticos traz diversos benefícios ao estudo do processo de combustão de biocombustíveis.


Equipe do Projeto

NomeCH SemanalData inicialData final
DANIELA BUSKE8
GUILHERME JAHNECKE WEYMAR8
JONATHAN RIBEIRO DA COSTA
REGIS SPEROTTO DE QUADROS12

Fontes Financiadoras

Sigla / NomeValorAdministrador
CAPES / Coordenação de Aperfeiçoamento de Nível SuperiorR$ 2.979,90Coordenador

Plano de Aplicação de Despesas

DescriçãoValor
339039 - Outros Serviços de Terceiro - Pessoa JurídicaR$ 2.979,90

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