Development and numerical thermomechanical analysis of an atmospheric burner

Abstract

Atualmente, a simulação numérica de processos tecnológicos tem cada vez mais importância e é cada vez mais utilizada permitindo não só reproduzir as condições de funcionamento de determinado processo como também possibilita a previsão de possíveis falhas nos materiais. Assim, surgiu o presente trabalho para dar resposta à necessidade de conseguir caracterizar comportamentos mecânicos como a uência e a fadiga, presentes na superfície de alumínio de um queimador atmosférico, e o impacto que podem ter. Para tal, através do software de simulação numérica ANSYS, realizou-se uma análise termomecânica da respetiva superfície de queima. Em primeiro lugar, selecionou-se o modelo numérico de Norton e procedeu-se à identi cação dos respetivos parâmetros com base em duas análises distintas: uma análise analítica, com base apenas em curvas experimentais e relações analíticas; e uma análise numérica, com recurso ao módulo de otimização do ANSYS, em que os parâmetros foram iterativamente de nidos. Posteriormente, as condições fronteiras do problema foram de nidas e foi realizado um estudo de convergência da malha a usar nas simulações. Deste modo, foram obtidos os per s de temperatura, tensão e deformação ao longo da superfície de queima. Por m, considerando os fenómenos de fadiga e de uência, o tempo de vida da superfície do queimador foi estimado com base em métodos de previsão.

Nowadays, the numerical simulation of technological processes is increasingly important and used, allowing to reproduce the operation conditions of a given process and to predict possible failures in materials. Thereby, the present work emerged, to answer the need to characterize mechanical behaviors such as creep and fatigue that are present on the aluminum surface of an atmospheric burner and to understand the impact they can have. For this purpose, the FEA program ANSYS was used to perform a thermomechanical analysis of the respective surface. Firstly, the Norton's numerical model was selected, and the respective parameters were identi ed based on two di erent analyses: an analytical analysis, based only on experimental curves and analytical relationships; and a numerical analysis using the ANSYS optimization module, in which the parameters were iteratively de ned. Then, the boundary conditions of the problem were de ned, and a mesh sensitivity study was carried out. Therefore, the temperature, stress and strain pro les were obtained along the surface. Considering the fatigue and creep phenomena, the lifetime of the burner surface was estimated based on prediction methods.