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O futuro da combustão: Queima Limpa

Simulação queima limpa

Você não precisa que lhe digamos que o planeta está ficando mais quente. Na nossa humilde opinião, o maior desafio de engenharia do nosso tempo é converter os sistemas que ajudaram a criar o mundo tal como o conhecemos em produtos sustentáveis. Com Engenharia de Aplicação para CFD de combustão, ajudamos muitos clientes, em vários setores, a simular a queima de metano, propano, gasolina, diesel e muito mais. Obviamente, o objetivo é sempre usar a simulação para projetar sistemas de combustão eficientes que minimizem as emissões e maximizem o desempenho. No entanto, para estes sistemas de combustão, motores de combustão interna, turbinas a gás e queimadores de processo, o calor está ligado para reduzir as suas pegadas de carbono.


Combustíveis sustentáveis

O excelente projeto de sistemas de combustão que queimam combustíveis fósseis só pode levar você até certo ponto. Um grande foco dos engenheiros é agora adaptar ou projetar do zero sistemas de combustão que queimem combustíveis alternativos, como combustíveis eletrônicos, hidrogênio ou amônia.


Energia limpa


A descarbonização da indústria automotiva é o que imaginamos que venha à cabeça da maioria das pessoas quando se considera a “limpeza” dos sistemas de combustão. Existem muitos artigos e colunas discutindo o longo debate entre motores de combustão interna (ICEs) e veículos movidos a bateria! Não vamos acrescentar nada aqui (exceto o fato de que o Simcenter STAR-CCM+ é a ferramenta para projetar ambos). Em última análise, os ICE serão necessários para avançar nas indústrias onde as baterias não são viáveis ​​e se puderem funcionar de forma a produzirem emissões negligenciáveis ​​de CO₂, então deverão fazer parte do mix no futuro dos transportes.


Energia limpa

Felizmente, o Simcenter STAR-CCM+ vem adicionando ferramentas para garantir que a simulação possa ser aproveitada para projetar tais sistemas. E assim, ao longo dos últimos anos, o Simcenter STAR-CCM+ tem sido continuamente melhorado para permitir a análise de novos combustíveis e emissões.


Melhorias no software

Os combustíveis propostos para uso em aplicações In-Cylinder podem ter diferentes propriedades reativas fundamentais. Um exemplo importante é a Velocidade de Chama Laminar (LFS). No Simcenter STAR-CCM+ você pode calcular diretamente o LFS para qualquer mistura de combustível e usá-lo com modelos de combustão Flamelet, ECFM e Complex Chemistry. Abaixo podemos ver um exemplo de um ICE usando uma mistura de Gasolina e Hidrogênio como combustível, tendo a simulação sido realizada usando Simcenter STAR-CCM+ In-Cylinder Solution:



A metodologia permite uma previsão quantitativa das emissões brutas em função da fração de hidrogênio:


Emissões de escapamento para as diferentes misturas de combustível em Qth iguais.

Emissões de escapamento para as diferentes misturas de combustível em Qth iguais.


Aplicações navais


É claro que a indústria naval não está imune à necessidade de queimar de forma limpa. O transporte marítimo é responsável por cerca de 2,5% de todas as emissões de gases com efeito de estufa, mas é essencial, uma vez que 90% de todas as mercadorias mundiais são transportadas desta forma. Embora possa haver casos de uso em que a eletrificação seja uma abordagem viável, para grandes operadoras, as baterias (por si só) podem nunca ser a solução. Os engenheiros que projetam sistemas de propulsão marítima estão tendo que abalar o barco com o uso de combustível convencional e explorar outros combustíveis (descarbonizados) durante o processo de projeto.


Motores de amônia e células de combustível podem reduzir as emissões de carbono

Motores de amônia e células de combustível podem reduzir as emissões de carbono


Uma dessas opções é o uso de Amônia. A amônia pode ser queimada sem gerar CO₂ e é relativamente fácil de armazenar, o que a torna um bom candidato como combustível do futuro da indústria naval. Uma vez resolvida a logística (distribuição, disponibilidade) da amônia, ela poderá ser o tópico número um para o desenvolvimento de motores de combustão interna no futuro próximo. No entanto, apesar do potencial, a amônia tem seus próprios desafios, como a necessidade de alta energia de ignição. Por esse motivo, a amônia pode ser usada em conjunto com pequenas quantidades de diesel para iniciar o processo de combustão. Em última análise, isto ainda proporciona uma combustão muito mais limpa do que o uso tradicional de combustíveis fósseis.


O Simcenter STAR-CCM+ pode ser usado por projetistas para entender esse processo. No exemplo abaixo, são estudados jatos de Amônia e Diesel em vários tempos e ângulos de injeção.



Em determinadas condições, por exemplo, uma interação insuficiente ou demasiado forte entre os dois sprays de combustível, podem ocorrer falhas de ignição. Ser capaz de simular isso com precisão reduz a necessidade de testes extensivos e permite uma compreensão detalhada sobre como projetar para evitar tal cenário.



Usando o modelo de combustão de Química Complexa, pode-se prever uma excelente previsão de ocorrências de falha de ignição, bem como de combustão regular.


Quão verde é a sua simulação?


A maioria das simulações industriais de CFD dependem de Computação de Alto Desempenho (HPC) e analisar os números exige energia que inevitavelmente carrega sua própria pegada de carbono.


Este artigo da British Computing Society destaca o desafio e afirma que as emissões de CO₂ dos data centers de HPC deverão crescer de 2 a 9 vezes nos próximos 10 anos.


Tecnologia sustentável

O curso de ação óbvio é limpar a energia que alimenta suas simulações de CFD, mas é claro que isso provavelmente não está sob seu controle e, além disso, nos deixa sem nada para fazer! Com as versões mais recentes do Simcenter STAR-CCM+, os engenheiros de combustão agora podem aproveitar a modelagem de combustão Flamelet nativa da GPU. Aproveitar o hardware da GPU permite que os engenheiros executem suas simulações usando significativamente menos energia, reduzindo emissões e custos, além de obterem respostas mais rápidas (uma rara situação em que todos ganham).


Então, vamos pegar um sistema de combustão, neste caso um combustor anular pressurizado e adicionar um pouco de hidrogênio ao combustível para reduzir as emissões de CO₂ geradas.



Ótimo, mas nada na vida é de graça, e já falamos no passado sobre como o simples ato de adicionar hidrogênio pode atrapalhar a estabilidade termoacústica do sistema de combustão. Nem tudo está perdido, pois este sistema pode ser analisado usando LES de alta fidelidade combinado com o modelo de combustão Flamelet Generated Manifold para prever com precisão o comportamento termoacústico. E melhor ainda, tudo isso pode ser executado nativamente em GPUs.


Comparação de tempo de simulação

A redução de 50% no tempo de computação é avaliada aqui comparando uma solução de CPU em 640 núcleos (CPUs comumente usadas com 32 núcleos por nó de CPU, 2,4-3,3 Ghz, cache L3 de 256 MB) com uma solução de GPU em 8 placas NVIDIA A100.


O resultado final é uma solução 50% mais rápida e que consome 60% menos energia, além de ser 42% mais barata. Ainda mais importante, as frequências das instabilidades termoacústicas geradas devido à adição de hidrogénio também são previstas de forma excelente e podem, portanto, ser eliminadas ou mitigadas:


gráfico dBxHz

Espectros termoacústicos previstos e medidos para um queimador anular pressurizado com chama CH4/H2


O que temos aqui, pessoal, é um caso de criação de emissões de carbono inspirada no Simcenter STAR-CCM+: economizamos em emissões enquanto projetamos para economizar em emissões!


 

Interessado em projetar sistemas de combustão mais limpos e eficientes para reduzir sua pegada de carbono? Agende hoje mesmo uma reunião com a CAEXPERTS e descubra como podemos ajudá-lo a enfrentar os desafios da engenharia de aplicação para CFD de combustão. Com nossa experiência e as ferramentas avançadas do Simcenter STAR-CCM+, podemos explorar soluções sustentáveis para seus projetos, desde a simulação de combustíveis alternativos até a otimização de sistemas de propulsão marítima. Não peca tempo, entre em contato agora!



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