Repositório UNIFEI UNIFEI - Campus 1: Itajubá PPG - Programas de Pós Graduação Dissertações
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Tipo: Dissertação
Título: Simulação fluidodinâmica em ANSYS - CFD da combustão dual-fuel em motores de ignição por compressão utilizando diesel renovável (HVO) com biogás
Autor(es): FREZ, Gustavo Vieira
Primeiro Orientador: CORONADO, Christian Jeremi Rodriguez
metadata.dc.contributor.advisor-co1: DIAS, Fagner Luis Goulart
Resumo: O crescimento populacional e urbano no Brasil nas últimas décadas resultou no aumento da frota veicular nacional que, em geral, utiliza combustíveis fósseis cuja queima resulta em emissões de poluentes. Aliando-se a fatores econômicos, há uma urgente preocupação para substituição desses combustíveis por àqueles provenientes de fontes renováveis. Grande parte de pesquisas nessa área utilizam técnicas experimentais, que nem sempre são viáveis. Assim, aliar análises computacionais à essas técnicas são de grande relevância. Nesse contexto, esse trabalho apresenta análises computacionais do ciclo de combustão de um motor Diesel operando com diesel fóssil, HVO e HVO com biogás. Para tal, modelou-se a geometria 3D da sua câmara de combustão e empregou-se o software ANSYS/Forte nas simulações CFD. Na etapa de modelagem considerou-se um modelo cinético com 35 espécies e 74 reações químicas, o modelo RANS RNG 𝑘-𝜀, o modelo KH-RT, um perfil de injeção uniforme e valores experimentais para pressão e temperatura inicias. Além disso, realizou-se uma análise 0-D no software ANSYS/Chemkim-Pro a fim de estimar alguns parâmetros não mensurados experimentalmente e, também para se obter dois modelos cinéticos adaptados para a combustão do HVO puro e da mistura HVO-Biogás, o que foi feito juntamente com um processo de otimização mono-objetiva pelo algoritmo de Lichtenberg. Ambas as abordagens, 0-D e 3D, foram validadas com dados experimentais. Foram obtidas curvas para: pressão no cilindro e sua taxa de aumento; taxa de liberação de calor e seu acúmulo; características de turbulência e emissões em função do ângulo do virabrequim. Campos 3D de velocidade, de temperatura, do spray do diesel e das frações molares de CO, CO2, NO e NO2 também foram obtidos. Os resultados para a pressão no cilindro obtidos computacionalmente apresentaram boa concordância com os experimentais, que foram obtidos durante o projeto P&D ROTA 2030 realizado pelo GETEC-UNIFEI em 2021 e 2022, porém com maior atraso de ignição. Observou-se que a pressão no cilindro possui forte dependência com a duração da injeção. Verificou-se também que as regiões próximas ao PMS são as que mais causam variações nos parâmetros analisados e onde a maioria das curvas apresentam seus valores máximos. Além disso, a combustão do HVO e do HVO com biogás reduziu os picos de pressão e de liberação de calor, bem como as emissões de NOx e fuligem, apresentando maior homogeneidade nos campos de velocidade e temperatura.
Abstract: vehicular fleet, which, in general, uses fossil fuels whose burning results in pollutant emissions. Allied with economic factors, there is an urgent concern to replace these fuels with those from renewable sources. Much of the research in this area uses experimental techniques, which are not always feasible. Thus, combining computational analysis with these techniques is of great relevance. In this context, this work analyzed computationally the combustion cycle of a Diesel engine operating with fossil diesel, HVO and HVO with biogas. For this purpose, its 3D combustion chamber geometry was modeled in a CAD software and the CFD simulations were carried on ANSYS/Forte software. A kinetic model with 35 species and 74 chemical reactions, together with the RANS RNG k-ε model, the KH-RT model, a uniform injection profile and experimental values for initial pressure and temperature were considered in the modeling step. In addition, a 0-D analysis in ANSYS/Chemkim-Pro software was performed to estimate some parameters not measured experimentally, and also to obtain two adapted kinetics models to describe the of pure HVO and HVO-biogas blend, which was done together with a mono-objective optimization process by the Lichtenberg algorithm. Both 0-D and 3D approaches were validated with experimental data. From the simulations, in-cylinder pressure and its rise rate, rate of heat release, and its accumulation, turbulence, and emissions characteristics were obtained as a function of crank angle. 3D fields of velocity, temperature, the spray of diesel, and molar fractions of CO, CO2, NO, and NO2 were also obtained. The in-cylinder pressure obtained computationally showed a good agreement with the experimental ones (which were obtained from the R&D project ROTA 2030 by GETEC-UNIFEI at 2021 and 2022), but with a longer ignition delay. It was observed that the in-cylinder pressure is strongly dependent on the duration of injection. It was also verified that the regions closer to the TDC presented the most variations in the analyzed parameters and with the maximum values. Besides, the combustion of HVO and HVO with Biogas reduced the peaks of pressure and heat release, as well as NOx and soot emissions and also presented more significant homogeneity in the velocity and temperature fields.
Palavras-chave: Motor de combustão interna
Análise CFD
HVO
Dual-fuel
Biogás
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECÂNICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Itajubá
Sigla da Instituição: UNIFEI
metadata.dc.publisher.department: IEM - Instituto de Engenharia Mecânica
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação: Mestrado - Engenharia Mecânica
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.unifei.edu.br/jspui/handle/123456789/3456
Data do documento: 28-Nov-2022
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