BR102012000165A2 - mÉtodo para modelagem de derrames criogÊnicos e de incÊndios em poÇa no transporte marÍtimo de gÁs natural liquefeito (gnl) - Google Patents

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Abstract

MÉTODO PARA MODELAGEM DE DERRAMES CRIOGÊNICOS E DE INCÊNDIOS EM POÇA NO TRANSPORTE MARÍTIMO DE GÁS NATURAL LIQUEFEITO (GNL). A presente invenção proporciona a modelagem matemática da mecânica do escoamento e espalhamento de um fluido criogênico (Gás Natural Liquefeito - GNL) derramado no mar formando uma poça, e da subsequente pluma térmica oriunda de incêndios de difusão turbulenta. O derrame e o espalhamento da poça são modelados com formulação integral conservativa, considerando o balanço entre a quantidade vazada do navio e a que vaporiza na poça. Leva-se em conta, fundamentalmente, as contribuições dos mecanismos de transferência de calor na interface entre o substrato e o filme de criogênico, e a retroalimentação radiativa proveniente da combustão na região mais baixa da pluma térmica e da própria poça. A modelagem contempla as zonas da combustão e intermitência da pluma térmica do incêndio. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros de escala adimensionalizados, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento (ou altura) da chama visível, com a inclinação da mesma, poder emissivo de sua superfície e vazão mássica de vaporização do combustível líquido na poça. A modelagem, além de integral conservativa e considera a variação do poder emissivo com a altura da pluma visível, a dependência com o diâmetro do incêndio e a variação das dimensões da pluma e propriedades do combustível com altura da zona luminosa da base do incêndio e a taxa de produção de fumaça. O modelo inclui ainda a radiação térmica emitida pelos gases cinza transportando partículas de fuligem na zona de combustão, considerando emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma no incêndio.

Description

Relatório Descritivo de Patente de Invenção
Método para Modelagem de Derrames Criogênicos ε de Incêndios em Poça no Transporte Marítimo de Gás Natural Liqüefeito (GNL)
Campo da Invenção
A presente invenção proporciona um método para modelar a mecânica do escoamento e espalhamento de um fluido criogênico (Gás Natural Liqüefeito - GNL) derramado no mar formando uma poça, e da subseqüente pluma térmica oriunda de incêndios de difusão turbulenta. O derrame e o espalhamento da poça são modelados com formulação integral conservativa, considerando o balanço entre a quantidade vazada do navio e a que vaporiza na poça. Leva-se em conta, fundamentalmente, as contribuições dos mecanismos de transferência de calor na interface entre o substrato e o filme de criogênico, e a retroalimentação radiativa proveniente da combustão na região mais baixa da pluma térmica e da própria poça. A modelagem contempla as zonas da combustão e intermitência da pluma térmica do incêndio. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros de escala adimensionalizados, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento (ou altura) da chama visível, com a inclinação da mesma, poder emissivo de sua superfície e vazão mássica de vaporização do combustível líquido na poça. A modelagem, além de integral conservativa, considera a variação do poder emissivo com a altura da pluma visível, a dependência com o diâmetro do incêndio e a variação das dimensões da pluma e propriedades do combustível com altura da zona 'luminosa' da base do incêndio e a taxa de produção de fumaça. O modelo inclui ainda a radiação térmica emitida pelos gases cinza transportando partículas de fuligem na zona de combustão, considerando emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma do incêndio.
30 Antecedentes da Invenção
O GNL é o gás natural liqüefeito por meio da redução da sua temperatura a -162°C à pressão atmosférica normal. Gás Natural Liqüefeito (GNL) vem sendo transportado desde 1959 em navios metaneiros, elos essenciais na movimentação do GNL entre as locações de produção e consumo. O gás natural é uma subcategoria do petróleo que ocorre na natureza. Representa uma mistura complexa de hidrocarbonetos com uma quantidade pequena de compostos inorgânicos e é uma das maiores fontes de energia fóssil sendo utilizada por quase todos os setores da economia mundial, o que o faz ser considerado uma commodity.
A indústria de GNL enfrenta atualmente desafios para obter aprovação de novos terminais de recebimento e exportação. Um aspecto que vem despertando interesse cada vez maior da sociedade civil nas audiências públicas para licenciamento desses terminais está relacionado com o perigo da atividade, tendo em vista o receio das conseqüências de acidentes catastróficos com GNL1 associados ao transporte marítimo e atos de terrorismo.
Os riscos principais de interesse para o GNL são: incêndio, explosão confinada ou parcialmente confinada, transição rápida de fase e efeitos relacionados à sua temperatura criogênica de armazenamento, como, por exemplo, queimadura criogênica, asfixia. Comparado ao Gás Liqüefeito de Petróleo (GLP) e ao etileno liqüefeito, o GNL é menos perigoso devido à: (i) sua baixa densidade, (ii) sua tendência de não formar nuvem inflamável de vapor nas condições ambientais, (iii) ser relativamente alta sua energia mínima de ignição e (iv) ter menor velocidade fundamental de combustão. O GNL não é tóxico, e se evapora rapidamente; consequentemente, considerando um longo tempo de vazamento, são insignificantes os impactos ambientais de um derrame acidental, se não houver nenhuma ignição dos vapores formados.
Basicamente, três são os tipos de incêndio possíveis de ocorrer nas atividades marítimas com GNL: em poça (pool fire), em jato (Jet fire) e em nuvem (flash fire). Modelagens de grandes liberações de GNL que até então não eram requeridas, passaram a ser requisito obrigatório de regulamentação, efetuado em estudos independentes de análise de riscos.
Funções de densidade de probabilidade são praticamente impossíveis de serem usadas para modelar uma pluma térmica com 300 m de diâmetro com uma altura de cerca de 500 m. Ter-se-ia que se gerar números aleatórios de trilhões de partículas de fumaça, para serem mapeadas. A presente invenção, por outro lado, proporciona um método que compreende a modelagem matemática da mecânica do escoamento e espalhamento de um fluido criogênico (Gás Natural Liqüefeito - GNL) derramado no mar formando uma poça, e da subsequente pluma térmica oriunda de incêndios de difusão turbulenta.
No âmbito patentário, foram localizados alguns documentos considerados apenas parcialmente relevantes, descritos a seguir.
O documento US 7,240,499 descreve um método para prevenir explosões durante o transporte de gás natural em embarcações flutuantes a qual implica em obter um gás de conteúdo altamente pressurizado. O gás é desidratado um gás seco pressurizado o qual é em seguida resfriado formando duas fases. As duas fases são armazenadas, o gás natural, liqüefeito, e o condensado são colocados em estocagem formando uma mistura. A presente invenção difere do referido documento, entre outras razões técnicas, pois, compreende a modelagem matemática de derrames criogênicos e de incêndios em poça no transporte marítimo de gás natural liqüefeito, fato não citado no referido documento.
O documento US 2008/0264076 descreve uma sistema para re- liquefação de gás natural quando este atinge o ponto de ebulição compreendendo a utilização de compressor de rosca e uma faixa de compressão efetiva entre 10% e 100% da taxa de capacidade. O sistema compreende trocadores de calor e refrigerantes, alem de compressor, separador de fases e válvula de expansão. A presente invenção difere do referido documento, entre outras razões técnicas, pois, compreende a modelagem matemática de derrames criogênicos e de incêndios em poça no transporte marítimo de gás natural liqüefeito, fato não citado no referido documento.
Do que se depreende da literatura pesquisada, não foram encontrados documentos antecipando ou sugerindo os ensinamentos da presente invenção, de forma que a solução aqui proposta, aos olhos dos inventores, possui novidade e atividade inventiva frente ao estado da técnica.
Sumário da invenção
A presente invenção proporciona um método para modelar a mecânica de derrames criogênicos em poça no transporte marítimo de Gás Natural Liqüefeito (GNL). O método da invenção compreende uma etapa de modelagem matemática para descrever uma pluma térmica de um incêndio de difusão turbulenta, formada pela mecânica do escoamento de um fluido criogênico, GNL, que quando derramado através do rasgo no costado de um navio metaneiro, forma uma poça, que supostamente entra imediatamente em ignição.
O método da invenção proporciona inúmeras vantagens incluindo: formulação integral conservativa, dispensando a distinção entre vazamentos instantâneos e contínuos; integração das equações diferenciais parciais da história do escoamento com soluções analíticas e numéricas; uso de variáveis adimensionais em relação ao tempo, volume, área e escalas de comprimento, simplificando o tratamento do problema e a escrita das equações; expressa a área máxima da poça e o tempo de vaporização em função de um único parâmetro adimensional do escoamento; utiliza um único parâmetro de forma e espalhamento enfeixando o espalhamento assimétrico nas linhas de corrente da poça; utiliza poça de formato semicircular, que descreve melhor a fenomenologia do problema.
Estes e outros objetos da invenção serão imediatamente valorizados pelos versados na arte e pelas empresas com interesses no segmento, e serão descritos em detalhes suficientes para sua reprodução na descrição a seguir. Descrição Detalhada da Invenção
O método para modelar a mecânica de derrames criogênicos em poça no transporte marítimo de Gás Natural Liqüefeito (GNL) da invenção proporciona contribuições incrementais para a avaliação de derrame/espalhamento no mar, seguido de incêndio em poça de difusão turbulenta de GNL. Na presente invenção, o derrame e o espalhamento da poça são modelados com formulação integral conservativa, considerando o balanço entre a quantidade vazada do navio e a que vaporiza na poça. O método da invenção considera as contribuições dos mecanismos de transferência de calor na interface entre o substrato e o filme de criogênico, e a retroalimentação radiativa proveniente da combustão na região mais baixa da pluma térmica e da própria poça.
O método da invenção contempla as zonas da combustão e intermitência da pluma térmica do incêndio. Provê esquema consistente e robusto para o desenvolvimento de parâmetros de escala adimensionalizados, possibilitando correlacionar e extrapolar o comprimento (ou altura) da chama visível, com a inclinação da mesma, poder emissivo de sua superfície e vazão mássica de vaporização do combustível líquido na poça.
O método da invenção inclui modelagem integral conservativa e também semi-empírica, e considera a variação do poder emissivo com a altura da pluma visível, a dependência com o diâmetro do incêndio e a variação das dimensões da pluma e propriedades do combustível com altura da zona 'luminosa' da base do incêndio e a taxa de produção de fumaça.
O método da invenção inclui ainda a avaliação da radiação térmica emitida pelos gases cinza transportando partículas de fuligem na zona de combustão, considerando emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma do incêndio. Fenomenoloqia do Derramamento
Para se compreender a física envolvida, considere-se um vazamento proveniente de um rasgo no costado navio metaneiro. A determinação da quantidade vazada é o primeiro passo para predizer os perigos potenciais. O furo no costado do navio em um, ou mais, de seus tanques, pode ocorrer acima ou abaixo da linha da água. A avaliação da taxa de vazamento, ou de derrame do GNL na água depende, por exemplo, da forma do tanque, de seu tamanho, do percentual de enchimento, da localização do furo no costado do navio.
Outra taxa de interesse, é a de como o criogênico se vaporiza na poça
formada após o derrame, e é essa que aparece na literatura com diversas denominações, de acordo com cada experimentalista, Por exemplo, podem ser citadas: 'burning rate', 'combustion rate', 'fuel volatization rate', 'shrinking rate', 'vaporization rate'.
Focando na poça, optou-se por estabelecer uma padronização de
nomenclatura de como expressar essa taxa. O que se mede, usualmente, é a velocidade média entre os valores obtidos nos experimentos, em m/s, com que a poça regride de tamanho devido à vaporização do líquido criogênico. Na presente invenção foi verificado que ela é estimada dividindo-se o volume total de GNL derramado pela área medida da poça e pela duração experimentada durante a queima intensa em regime permanente. Esse encolhimento (.shrinkage), de um modo geral, começa a ocorrer a partir de quando ela não mais se espalha. Porém, existem várias denominações para o mesmo fenômeno: evaporação (evaporation), volatilização (volatilization), vaporização (vaporization), apenas alguns para serem citados.
A composição do GNL também afeta o tamanho da poça, pois a presença etano e propano tende a aumentar a taxa de vaporização e colapsar o vapor do filme formado na interface diminuindo o tamanho da poça. RPTs (.Rapid Phase Transitions) podem também ocorrer na poça causando um acréscimo na taxa de vaporização. Se o GNL liberado entrar em ignição imediata, um incêndio em poça resulta. E se a ignição não for imediata, o GNL se vaporizará rapidamente produzindo uma nuvem visível logo acima do nível da água que se espalhará com o vento. O vapor de GNL é incolor, porém, devido à sua temperatura muito baixa, o vapor d'água misturado na atmosfera, se condensa e produz uma nuvem visível. Embora, existam vários componentes no GNL1 metano evaporará primeiro, pois é o componente mais volátil, e, desta forma, a nuvem será composta primordialmente de metano.
Na presente invenção, é demonstrado que próximo ao final da vaporização do metano começam a evaporar os componentes mais pesados que façam parte da composição da nuvem, uma vez que metano é predominante, devido a sua maior volatilidade e fugacidade relativas, além de não formar misturas azeotrópicas nem de máximo, nem de mínimo com os componentes mais 'pesados', sobretudo etano e propano. A nuvem formada se misturará com o ar, principalmente na periferia e em suas bordas, e quando as concentrações de metano estiverem entre o Limite Inferior de Inflamabilidade (LII) e Limite Superior de Inflamabilidade (LSI) a nuvem será susceptível à ignição.
Porém, antes de se passar para a física dos fenômenos de combustão das poças formadas decorrentes de derramamentos de GNL na água ou em terra, convém tecer considerações sobre a formação das poças, para a melhor compreensão dos fenômenos relacionados com a combustão em si dos incêndios, que é um dos objetivos do presente trabalho. Para poças com derramamentos não confinados de GNL na água, este se espalha e entra em ebulição com uma alta taxa de vaporização. Esta taxa é constantemente mantida devido a um contato contínuo através de um filme formado entre o GNL e a água a uma temperatura bem mais elevada.
O espalhamento de uma poça de GNL na água é um assunto que ainda se discute, gera controvérsias e até hoje não há um consenso inequívoco e único. Portanto, a presente invenção não tem a pretensão de esgotar o assunto que ainda hoje se pesquisa.
Quando a vaporização da poça se dá pelo regime ebulição de filme, uma fina camada ou filme de vapor de GNL se forma entre a superfície da água e a poça de GNL. No regime gravitacional-inercial, isto é, no início do derrame, as forças de inércia governam o escoamento e são contrabalançadas pelas forças viscosas, admitindo-se, porém, simplificações. Neste regime, as forças de atrito estão presentes, mas são pequenas quando comparadas com as forças de inércia, podendo, portanto, serem relaxadas. O contrário ocorre quando o escoamento está mais desenvolvido, quando o regime é gravitacional-viscoso, as forças de inércia ainda estão presentes, mas, geralmente, se tornam pequenas comparadas com as forças viscosas. O ponto de transição entre esses dois regimes é tipicamente assumido quando as forças de inércia e viscosas se igualam. Como o GNL se vaporiza rapidamente quando derramado na água, a maioria dos vazamentos evaporam completamente, antes que as forças de atrito viscoso se tornem importantes. Porém, no caso de vazamentos rápidos (altas vazões) e de grande porte, eles podem perdurar o tempo suficiente para que tais forças devam ser consideradas.
O derramamento de GNL é acompanhado imediatamente de ignição com subsequente incêndio na poça derramada, é difícil que o escoamento da mesma transite de escoamento gravitacional-inercial para gravitacional- viscoso. Todavia, se a ignição for retardada, segundo alguns autores, a poça poderá a escoar transitando pelo regime gravidade-viscoso até alcançar o regime tensão superficial-viscoso, quando o filme chega a uma espessura mínima. Para grandes derramamentos, vazamentos de GNL na água podem transitar para o regime gravitacional-viscoso, e a razão para os modelos existentes desconsiderarem esse efeito está relacionada com os volumes muito menores utilizados em testes e experimentos, quando comparados aos volumes necessários para que a espessura mínima seja atingida.
Se o derrame for confinado por águas calmas (quiescent waters), o não espalhamento pode resultar na formação de uma camada de gelo abaixo da lâmina de GNL. À medida que a espessura desta camada aumenta, diminui a taxa de transferência de calor, reduzindo dessa forma a velocidade de vaporização. A velocidade de ebulição deveria ser similar para vazamentos confinados na terra, uma vez que há diminuição da velocidade vaporização com o tempo. Pequenas formações de gelo foram observadas também em derrames não confinados na água, mas, durante o espalhamento, a interface turbulenta criada entre o GNL e a água, bem como a elevada taxa de transferência de calor fornecida pela água antes do incêndio, previne formação significativa de gelo. Uma vez que a poça de GNL tenha se espalhado até sua área e diâmetro máximos, sua espessura se torna mínima. Após alcançar esta espessura, ela permanece constante com a constante vaporização, enquanto a área da poça começa a diminuir. Num dado momento, a tensão superficial não é mais capaz de manter contínua a película, e assim a camada de GNL pode se romper. Há registros de que essa película tenha uma espessura mínima de 1 mm a 1,7 mm independente da quantidade de GNL derramado. Como ela não é robusta o suficiente, não proporciona inércia térmica que permita congelar quantidades significativas de água.
Na prática, o tempo de vaporização máximo e o raio máximo de um derrame de GNL em mar de águas quiescentes são calculados desprezando- se a espessura mínima da camada e a perda devido à vaporização do GNL que fica submerso na água durante o vazamento. Neste caso, assume-se que o raio da poça máximo é alcançado no momento em que todo GNL tenha sido evaporado.
O tempo de evaporação e o raio máximo da poça sem considerar a formação da película de espessura mínima, demonstrando haver uma diferença de 5% em relação ao caso de considerá-la nos métodos de modelagem encontrados na literatura.
Velocidades de vaporização mais altas resultam em distâncias maiores do Lll, que afetam a extensão dos perigos de incêndio em nuvem e explosões. Acréscimos nessa velocidade aumentarão também a velocidade (e a vazão mássica) global de vaporização, visto que há contribuições da transferência de calor a partir da água no processo de ebulição e da retroalimentação do calor irradiado pelo incêndio.
A ebulição da poça ocorre quando GNL é derramado sobre a água, devido à elevada diferença de temperatura de aproximadamente 180 K entre ambos. Os modos de ebulição da poça e das correspondentes taxas de transferência de calor são função dessa diferença. É como se, hipoteticamente, a superfície de um volume do GNL imerso no seio da água, fosse trazida à tona da água no seu ponto de ebulição. Nesta temperatura, ocorre a formação de vapor, ou a ebulição denominada de 'regime de ebulição nucleada', onde os locais de 'nucleação' (cavidades impregnadas de vapor ou gás) na superfície do GNL permitem a formação de bolhas. Embora a nucleação seja considerada como ocorrendo em uma superfície sólida, ela também pode ocorrer em um líquido homogêneo. Com o posterior incremento na temperatura da superfície, a formação de bolhas aumenta, produzindo altas velocidades locais no interior do filme próximo à superfície, aumentando, por conseguinte, a transferência de calor. Assim, neste regime, um acréscimo na diferença a'e temperatura aumenta a transferência de calor para o líquido criogênico. Ocorre, então, um pico de fluxo térmico no 'regime de ebulição nucleada'. Eventualmente, a formação de bolhas é tão rápida que o líquido é impedido de entrar em contato com a superfície e o fluxo térmico diminui. Este é o denominado regime de transição. Com o continuado acréscimo na temperatura de superfície, esta será coberta por um filme contínuo de vapor e a transferência de calor será reduzida, uma vez que o calor é transportado de forma mais escassa através do filme de vapor com baixa condutividade. Este é conhecido como 'regime de ebulição do filme', e a temperatura mínima para formar um filme estável em ebulição é denominada temperatura ou ponto de Leindenfrost. Com aumentos subsequentes na temperatura, o modo de
transferência de calor se torna radiativo e aumentando essa taxa. E é devido ao efeito Leidenfrost que o espalhamento em águas calmas (quiescent) da poça de GNL em evaporação possa ser considerado, na prática, como um escoamento essencialmente invíscido. A nuvem formada misturar-se-á com o ar, principalmente em suas bordas, e, quando as concentrações de metano estiverem entre os LSI e Lll, ou seja, respectivamente, entre 5% e 15% v/v, a mistura poderá sustentar a chama de um incêndio, caso entre em ignição.
Na literatura científica de incêndios, a radiação térmica já está consagrada como o mecanismo dominante de transferência de calor, governando o crescimento e a propagação de alguns tipos de incêndio. Dois tipos principais de tipos de incêndios são citados na literatura (Sacadura, 2005): (i) em compartimentos (enclosure fires), e (ii) externos (outdoors). O primeiro grupo compreende prédios, salas, túneis. Dentre os externos, aparecem as florestas ou sítios de vida selvagem, diferenciados dos incêndios em plantas industriais ou urbanos (exteriores a prédios).
Em vazamentos industriais, combustão não pré-misturada é referida na
indústria como 'incêndio', com a taxa de mistura combustível-ar sendo governada pela difusão turbulenta do escoamento (na literatura encontra-se que em escala de laboratório, combustão não pré-misturada sendo referida como chama de difusão). Se a ignição ocorre imediatamente após o vazamento, antes que a mistura tenha lugar, e não ao final quando o combustível está completamente misturado com o ar, então a combustão será 'não pré-misturada'. Geralmente, a combustão não pré-misturada ocorre em primeiro lugar. Com a junção desses dois termos, turbulência e difusão, são comuns encontrar na literatura expressões equivalentes como 'incêndio de difusão turbulenta', 'chama de difusão turbulenta'. Especialmente no caso de derrames de GNL, o incêndio é referido como 'incêndio em poça' ou 'incêndio de derrame', dado que o líquido derramado do metaneiro resulta em incêndio em regime quase permanente. O perigo desse tipo de combustão é, essencialmente, térmico, uma vez que provém de um fluxo de radiação térmica.
O processo de combustão enfeixa transformações químicas de reagentes, durante as quais grandes quantidades de calor são liberadas nas recombinações entre átomos componentes do sistema; na maioria dos sistemas reacionais, a taxa de reação química é uma função que cresce com a temperatura. Essas características reunidas implicam em que esses processos se auto-aceleram uma vez iniciados; além disso, em função de tais características, as transformações químicas e a transferência de calor têm escalas de tempo e de comprimento pequenas, quando comparadas com as escalas da geometria do escoamento. Fenômenos fundamentais da turbulência Nos escoamentos laminares, velocidade e escalares têm valores bem definidos. Em contrapartida, escoamentos turbulentos são caracterizados por flutuações contínuas da velocidade acarretando flutuações em escalares como densidade, temperatura e composição da mistura. Tais flutuações são conseqüência de vórtices gerados por cisalhamento no interior do escoamento.
Tome-se, por exemplo, dois fluidos no interior de uma pluma de incêndio, em que o combustível supostamente está no fundo (na poça) e ar oxidante está acima (na pluma térmica). Observa-se, experimentalmente, que: (i) o fluido do topo é transportado por convecção (e não por difusão) em contracorrente no sentido descendente no interior da pluma, enquanto que o fluido do fundo é transportado por convecção em direção ao topo. A convecção é gerada pelo movimento dos vórtices devido às tensões internas de cisalhamento no interior do escoamento. Este processo acelera de forma expressiva o movimento de mistura; (ii) a área interfacial entre esses dois fluidos aumenta muito, e, assim, a taxa global de mistura molecular é também amplificada. Adicionalmente, essa taxa é acelerada por gradientes acentuados (steepened) quando a interface é estirada (stretched).
O crescimento desses vórtices, nada mais é do que o resultado da competição entre o processo (não linear) de geração, quando um valor crítico do número de Reynolds (forças de inércia vs. viscosas em fluidos) é excedido, e aí tem lugar a transição de um escoamento laminar para turbulento. Este adimensional pode ser interpretado também como um balanço entre a quantidade de movimento linear desestabilizador do comportamento do escoamento e o efeito estabilizador do amortecimento viscoso. Como se sabe, acima do valor de cerca de 2.000 para o número de Reynolds convencional, as forças viscosas não mais amortecem as instabilidades provocadas pela quantidade de movimento linear, redundando na transição acima; e, com isso, acentua mais ainda a desorganização, promovendo mistura axial e radial dentro da pluma. Caso o escoamento estivesse sendo transportado em um conduto de paredes fixas, essa transferência de quantidade de movimento linear seria manifestada por uma queda de pressão mais acentuada nos escoamentos turbulentos do que nos laminares, com a mesma vazão volumétrica.
Escalas da turbulência em fluidos
Processos turbulentos ocorrem em diversas escalas. A maior escala de comprimento corresponde à dimensão geométrica do sistema, é a escala de comprimento integral, Jc. Perturbações de grande comprimento de onda (baixas freqüências) são associadas com grandes turbilhões (eddies), ou vórtices. Eles interagem entre si e sofrem fissão em turbilhões cada vez menores com menores comprimento de onda (altas freqüências), formando uma cascata de energia (cascata de Kolmogorov) dos maiores para os menores vórtices, como visto acima. E a maior parte da energia cinética é devida ao movimento dos maiores turbilhões. A cascata de energia cessa quando a energia cinética de muitos dos pequenos turbilhões com comprimento igual ou menor do que o comprimento de escala de Kolmogorov, sendo dissipada pelo
amortecimento viscoso em energia térmica, ou seja, movimento molecular. A distribuição da energia cinética turbulenta, x (Turbulent Kinetic Energy-TKE) ao longo de todo o espectro de turbilhões com um dado diâmetro, é descrita pelo 'espectro da energia turbulenta'. A densidade da energia descreve a dependência da energia cinética turbulenta com o número de onda. isto é. o inverso do diâmetro dos turbilhões ou do comprimento da escala da turbulência. No comprimento de escala de Kolmogorov, Isc, o tempo que um vórtice leva para realizar a metade de uma revolução, é igual ao tempo da difusão através do diâmetro lx, do vórtice. Abaixo de lx, a difusão (e em geral o transporte molecular) é mais rápida do que o transporte turbulento, por conseguinte, a turbulência não se estende abaixo de lx. Como o objetivo é ter- se uma avaliação da turbulência, definiu-se o número de Reynolds turbulento

Claims (5)

Método para Modelagem de Derrames Criogênicos ε de Incêndios em Poça no Transporte Marítimo de Gás Natural Liqüefeito (GNL)
1.Método para a modelagem de derrames criogênicos e de incêndios em poça no transporte marítimo de gás natural liqüefeito, caracterizado por compreender uma formulação integral conservativa, considerando o balanço entre a quantidade vazada do navio e a que vaporiza na poça; a modelagem compreendendo: - as contribuições dos mecanismos de transferência de calor na interface entre o substrato e o filme de criogênico; e - a retroalimentação radiativa proveniente da combustão na região mais baixa da pluma térmica e da própria poça.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a modelagem contempla as zonas da combustão e intermitência da pluma térmica do incêndio.
3. Método de acordo com a reivindicação 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que proporciona correlacionar e extrapolar o comprimento ou altura da chama visível, com a inclinação da mesma, poder emissivo de sua superfície e vazão mássica de vaporização do combustível líquido na poça.
4. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-3, caracterizado pelo fato de considerar a variação do poder emissivo com a altura da pluma visível, a dependência com o diâmetro do incêndio e a variação das dimensões da pluma e propriedades do combustível com altura da zona 'luminosa' da base do incêndio e a taxa de produção de fumaça.
5. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1-4, caracterizado pelo fato de adicionalmente incluir a radiação térmica emitida pelos gases cinza transportando partículas de fuligem na zona de combustão, considerando emissão e absorção nas regiões oticamente fina e espessa da pluma do incêndio.
BR102012000165-9A 2012-01-04 2012-01-04 mÉtodo para modelagem de derrames criogÊnicos e de incÊndios em poÇa no transporte marÍtimo de gÁs natural liquefeito (gnl) BR102012000165A2 (pt)

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