بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از احتراق ضربانی مزایای بسیاری دارد که از آن جمله میتوان به بازده گرمایی بالا، سرعت بالای انتقال حرارت و تولید کم آلایندهها اشاره کرد. یک محفظه احتراق ضربانی دارای ساختاری ساده، قابلیت راهاندازی توسط انواع مختلف سوختها - گاز، مایع و جامد - و هزینه کارکرد بسیار پایین است. در این مقاله به شبیهسازی عددی فرآیند احتراق ضربانی سوخت پروپان پرداخته شده است. تاکید اصلی بر روی بررسی تأثیر دمای دیواره و طول لوله تخلیه بر نوسانات دما و فشار در محفظه احتراق می باشد. برای این منظور، نتایج محفظه هایی با دمای دیواره 400، 600، 1000 و 1400 کلوین با یکدیگر مقایسه شده است. علاوه بر این، تأثیر طول لوله تخلیه با مقایسه نتایج لولههای تخلیهای با طولهای 738، 940، 1150 و 1440 میلیمتر مورد بررسی قرار گرفته است. حل معادلات با روش رانگ-کوتا مرتبه 4 بوده که در نرمافزار متلب انجام شده است. نتایج بدست آمده نشان میدهد که نوسانات دما و فشار در محفظه احتراق ضربانی به شدت به دمای دیواره محفظه و طول لوله تخلیه وابسته میباشد. مشخص میشود هنگامی که دمای دیواره محفظه پایین است، احتراق ضربانی به تدریج ضعیف شده و سپس خاتمه مییابد. در مقابل، نوسانات دمایی و فشاری بسیار کمی در محفظه با دمای دیواره زیاد مشاهده میشود. همچنین مشخص میشود هنگامی که دمای دیواره محفظه احتراق بالاست، طول لوله تخلیه تأثیر قابلتوجهی بر دامنه نوسانات دمایی و فشاری به همراه ندارد.
واژه های کلیدی
احتراق ضربانی- لوله تخلیه- انتقال حرارت- حل عددی
مقدمه
محفظههای احتراق ضربانی دستگاههای ساده ای هستند که از شیرهای ورودی سوخت و هوا، محفظه احتراق و لوله تخلیه تشکیل شدهاند. شکل 1 طرح شماتیک یک محفظه احتراق ضربانی را نشان میدهد.[1]
شکل :1 طرح شماتیک یک محفظه احتراق ضربانی
در احتراق ضربانی، نخست احتراق مخلوط سوخت و هوا رخ میدهد. سپس، محصولات احتراق از طریق لوله تخلیه از محفظه خارج میشوند. خروج گازها سبب کاهش فشار محفظه شده که این امر، ورود سوخت و هوای جدید به محفظه احتراق را به دنبال دارد.
در مطالعات گذشته نشان داده شده است که حضور نوسانات دما و فشار در احتراق ضربانی باعث بالابودن میزان تبادل حرارت در آن میشود.[3,2] این به آن علت است که انتقال حرارت جابجایی ناشی از جریانهای نوسانی بسیار بیشتر از جریانهای متلاطم پایدار با میانگین عدد رینولدز یکسان میباشد.[5,4]
فشردگی محفظههای احتراق ضربانی، که ناشی از نرخ بالای انتقال حرارت آن ها بوده، از یک سو و قابلیت آنها در تامین هوای مصرفی خود بدون نیاز به وسیله خارجی، از سوی دیگر سبب شده که فناوری احتراق ضربانی به طور وسیعی مورد استفاده باشد به گونهای که در سال 1993 شرکت لنوکس بیشتر از یک میلیون مشعل ضربانی را در آمریکا فروخته است.[6]
علیرغم مزایای ذکر شده، فرآیند احتراق ضربانی محدودیت هایی را از قبیل وجود صدای ناهنجار در خروجی، طبیعت تخریبکننده نوسانات جریان و حساسیت به ترکیبات گازی به همراه دارد به گونهای که از صدای مربوط به نوسانات فشاری در فرآیند احتراق ضربانی به عنوان مشکلی جدی یاد شده است. البته انتشار این صدای ناهنجار را میتوان با استفاده از تکنیکهای آکوستیکی صدا، همانند عایقکردن محفظه احتراق، کاهش داد. علاوه بر این، برای کنترل تخریبکنندگی نوسانات جریان در یک محفظه احتراق ضربانی میتوان اجزای آن را از مواد مناسب با مقاومت بالا ساخت.
ریچارد و همکاران[7] یک مدل نظری جهت شبیهسازی فرآیند احتراق ضربانی ارائه کردهاند.
سوجیموتو و ماچی[8] از روش مشخصهها در تحلیل یک محفظه احتراق ضربانی استفاده کردهاند. آنها نتیجه گرفتند که تأخیر در احتراق نقش مهمی در عملکرد محفظههای احتراق ضربانی بازی میکند و بدین ترتیب، فرآیندهایی که این زمان تأخیر را تعیین میکنند، بر فرآیند احتراق ضربانی تاثیرگذارند.
مورل[9] نتایجی از مدل تفاضل محدود بدست آورده است که معادلات یک بعدی بقای جرم، اندازه حرکت و انرژی را حل میکند. مقیمان و رضاپور [10] یک شبیهسازی عددی برای نوسانات احتراقی و تولید دوده در یک محفظه احتراق ضربانی ارائه کردند. نتایج آنها نشان میدهد که هنگامی که هوای ورودی در دمای محیط بوده و دمای دیواره کمتر از 1100 کلوین باشد، تولید دوده در محفظههای احتراق ضربانی با سوخت پروپان ناچیز خواهد بود.
مقیمان و همکاران[11] با شبیهسازی عددی تشکیل اکسیدهای نیتروژن در محفظه احتراق ضربانی تحقیقی ارائه دادهاند که در آن تأثیر ضریب اصطکاک لوله، دمای هوای ورودی، نسبت همارزی و ضریب انتقال حرارت جابجایی بر انتشار اکسیدهای نیتروژن در احتراق ضربانی مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج آنها نشان میدهد که کاهش دمای دیواره و دمای هوای ورودی، تشکیل اکسیدهای نیتروژن را کاهش میدهد. آنها همچنین دریافتند که تشکیل اکسیدهای نیتروژن با افزایش طول لوله تخلیه و ضریب انتقال حرارت جابجایی کاهش خواهد یافت.
ممهدی هروی و مقصودی[12] با ساخت یک محفظه احتراق ضربانی به بررسی تجربی اثر برخی از عوامل مؤثر بر دمای شعله و فرکانس احتراق ضربانی و همچنین، انتشار اکسیدهای نیتروژن و مونوکسیدکربن پرداختهاند. نتایج آنها حاکی از آن است که با کاهش غلظت سوخت، انتشار اکسیدهای نیتروژن و مونوکسیدکربن کاهش می یابد.
معادلات حاکم بر احتراق ضربانی
معادلات حاکم بر احتراق ضربانی توسط ریچارد و همکاران[7] ارائه شده است که در این تجزیه و تحلیل مورد استفاده قرار میگیرند. در این مدل، مخلوط سوخت و هوا در شرایط استوکیومتری در نظر گرفته میشود. اگرچه در یک محفظه احتراق ضربانی، سوخت و هوا به طور جداگانه به محفظه وارد میشوند، اما با توجه به نرخ بهمزنی بالا در این گونه محفظهها، میتوان احتراق را پیشآمیخته در نظر گرفت.
معادله بقای انرژی در یک محفظه احتراق ضربانی به صورت زیر است:
در رابطه بالا، که در آن، انرژی داخلی مخصوص و انرژی جنبشی مخصوص میباشند. همچنین، نرخ تولید حرارت در واحد حجم محفظه و ⃗ نرخ تبادل حرارت در واحد سطح آن میباشند.
معادله - 1 - را می توان با فرضیات زیر ساده کرد: - 1 - نقش انرژی جنبشی مخصوص در مقایسه با انرژی داخلی مخصوص بسیار کوچک است. - 2 - محفظه احتراق ناحیهای همگن میباشد. - 3 - روابط گازهای ایدهآل برقرار است.
بکارگیری فرضیات بالا و بیان نرخ تبادل حرارت بر حسب درجه حرارت دیواره - Tw - و ضریب انتقال حرارت جابجایی - h - ، معادله - 1 - را به صورت زیر بدست میدهد:
