Resumo Técnico: Estudo de Simulação Numérica sobre o Processo de Ignição de Câmara de Combustão de Difusão Micro-Misturada de Hidrogênio

Definição do Problema

Sob o objetivo estratégico de "duplo carbono", o hidrogênio é cada vez mais visto como um componente crítico para a transformação das estruturas de energia de motores de aeronaves. No entanto, a alta reatividade, a baixa energia de ignição e a ampla faixa de ignição do hidrogênio apresentam desafios significativos de segurança, particularmente dentro dos espaços confinados de câmaras de combustão. A ignição em tais ambientes carrega um alto risco de sobrepressão (definida neste estudo como um aumento de pressão local superior a 5% da pressão inicial) e potencial explosão. Enquanto a tecnologia de combustão de difusão micro-misturada oferece uma solução ao dividir as chamas em micro-regiões para melhorar a mistura e reduzir emissões, a pesquisa relativa aos riscos específicos de ignição e características de explosão do hidrogênio puro nesses espaços confinados permanece em um "estágio em branco". A literatura existente foca amplamente em combustíveis dopados com hidrogênio ou cenários de vazamento não confinados, deixando uma lacuna na compreensão da dinâmica de ignição de câmaras micro-misturadas de hidrogênio puro sob diferentes estratégias de injeção e ignição.

Metodologia

O estudo emprega uma abordagem de simulação numérica utilizando o software ANSYS-FLUENT para investigar o processo de ignição de uma câmara de combustão de difusão micro-misturada de hidrogênio.

• Modelo Físico: O domínio de simulação baseia-se em uma matriz estendida da estrutura de injetor tridimensional única da Universidade de Cranfield, apresentando uma câmara de combustão de 260 mm de comprimento, uma seção de convergência de cauda de 70 mm e seis conjuntos de injetores (cada um com entradas de ar e hidrogênio).
• Configuração Numérica:
  • Algoritmo: Algoritmo Coupled (acoplado) baseado em pressão e velocidade.
  • Modelo de Turbulência: Selecionado com base em pesquisas prévias de Yilmaz Harun et al., garantindo precisão para a combustão de hidrogênio.
  • Modelo de Combustão: Eddy Dissipation Concept (EDC) para capturar reações químicas em fluxo turbulento.
  • Química: Mecanismo de reação de hidrogênio complexo de ÓConaire (10 componentes, 21 etapas de reação).
• Condições de Contorno: A razão de equivalência é fixada em 0,4. As condições de entrada incluem uma temperatura total do ar de 422 K e pressão de 243,47 kPa. A fonte de ignição é modelada como uma fonte de calor de alta temperatura (2000 K, raio de 3 mm).
• Critério de Segurança: Referenciando a norma GB/T 42368-2023, considera-se que ocorre uma explosão se a razão de pressão instantânea ($P_r = P_m / P_{t3}$) atingir ou exceder 1,05.
• Verificação: A independência de malha foi verificada usando malhas estruturadas de 0,2 mm, 0,3 mm e 0,5 mm. A malha de 0,3 mm foi selecionada por fornecer resultados consistentes com a malha de 0,2 mm, atendendo aos requisitos de precisão.

Principais Contribuições e Resultados

O estudo analisa sistematicamente as características de combustão e explosão sob diferentes tempos de injeção-ignição (enchimento estável, fim do enchimento, meio do enchimento) e diferentes cargas iniciais (condições de trabalho total, 1/2 e 2/3).

1. Tempo de Ignição e Homogeneidade da Mistura

• Enchimento Estável (Tempo A): Sob enchimento estável, a chama propaga-se de forma relativamente suave, mas sofre retrocesso (backfire) no estágio inicial. Ocorrem eventos de sobrepressão, com o pico de pressão mais alto ($P_r = 1,185$) aparecendo em $t = 75,5$ ms próximo às saídas de hidrogênio dos injetores ④ e ⑤.
• Fim do Enchimento (Tempo B): A ignição no final do enchimento resulta em uma mistura altamente não uniforme com gradientes de concentração. Isso leva à separação da chama e riscos de sobrepressão significativamente maiores em comparação ao enchimento estável. O pico de pressão mais alto atingiu $P_r = 1,48$ em $t = 194,98$ ms na tubulação do injetor ①.
• Meio do Enchimento (Tempo C): Esta condição apresenta o campo de fluxo mais instável, com ar puro na segunda metade da câmara. A ignição não consegue estabelecer a conexão da chama e a chama tende a se apagar (blow out). O risco de sobrepressão é mais alto aqui, com um pico de pressão de $P_r = 1,54$ em $t = 207,47$ ms. O estudo conclui que a ignição no tempo de meio do enchimento é insegura e não confiável.

2. Cargas de Partida e Estratégias de Injeção

• Condição de Trabalho Total: Exibe riscos moderados de sobrepressão com retrocessos frequentes.
• Condição de Trabalho 1/2: Reduzir o número de injetores ativos (apenas a metade inferior) diminui a temperatura média e o calor de reação, mas, paradoxalmente, aumenta o número e a amplitude das sobrepressões devido à instabilidade do campo de fluxo.
• Condição de Trabalho 2/3: O uso dos quatro injetores centrais com uma posição de ignição simétrica (Posição de Ignição 2) reduz significativamente os riscos. A amplitude média de pulsação de pressão cai para 0,61 kPa, ocorrendo apenas um evento menor de sobrepressão ($P_r = 1,072$), atribuído a uma concentração de tensão geométrica específica próxima ao injetor ④.

3. Esquema de Ignição Ótimo

O estudo identifica uma estratégia de ignição sequencial específica como a solução ótima:

1. Abrir apenas os dois injetores de hidrogênio centrais (③ e ④) para estabelecer uma chama estável e simétrica.
2. Após 50 ms, abrir os injetores adjacentes (② e ⑤) para expandir a combustão.
   Resultos: Esta abordagem simétrica e em estágios elimina totalmente os fenôhos de retrocesso durante o período de detecção. Não foram observados eventos de sobrepressão ($P_r \geq 1,05$). O calor de reação e as flutuações de pressão permanecem suaves, e a chama propaga-se de forma estável sem as oscilações violentas vistas em estratégias assimétricas ou não sequenciais.

Significância e Alegações

O artigo afirma fornecer o primeiro suporte teórico para a ignição segura e confiável das câmaras de combustão micro-misturadas de combustível de hidrogênio da aviação chinesa, abordando uma lacuna de pesquisa anteriormente inexplorada.

• Mecanismo de Sobrepressão: O estudo esclarece que a sobrepressão está diretamente correlacionada com o retrocesso (backfire). Ela ocorre quando as altas temperaturas locais do retrocesso encontram bordas, cantos, degraus de injetores e paredes, causando acúmulo de pressão.
• Papel da Homogeneidade: A pesquisa demonstra que a incoordenação da mistura, o tempo de ignição inapropriado e as condições de injeção assimétricas são os principais impulsionadores para o aumento da frequência e amplitude da sobrepressão.
• Recomendação Prática: Os autores concluem que reduzir o número de portas de injeção de hidrogênio sob condições simétricas é um método eficaz para mitigar a sobrepressão. Especificamente, o esquema de ignição "dois centrais primeiro, depois expansão" é proposto como a estratégia ideal para minimizar a instabilidade da combustão e os riscos de explosão.

O estudo enfatiza que, embora a condição de carga 2/3 com injeção simétrica reduza o risco, a ignição sequencial de dois grupos centrais seguida pela expansão oferece o processo mais estável com o menor risco de sobrepressão, prevenindo efetivamente as condições que levam a explosões de hidrogênio em câmaras micro-misturadas confinadas.