بخشی از مقاله
چکیده
در دهه اخیر، شعلههای لولهای به دلیل هندسه خاص، مورد توجه قرار گرفتهاند. مزیت بزرگ شعلههای لولهای نسبت به سایر شعلهها، توزیع یکنواخت دما است. در نتیجه تشکیل نوسانات حرارتی در محفظه احتراق کاهش مییابد. در این مقاله یک شعله لولهای غیر پیشآمیخته تحت شرایط عملکردی مختلف به صورت عددی شبیهسازی شده است. برای شبیهسازی عددی، حلگری در نرمافزار متن باز اپنفوم توسعه داده شده و نتایج عددی به دست آمده با دادههای تجربی موجود مقایسه شده است. در ابتدا توزیع دما در میانه محفظه احتراق به کمک سینتیکهای یک مرحلهای، دو مرحلهای و DRM22 تعیین شده و نتایج به دست آمده با دادههای تجربی مقایسه و صحتسنجی شده است. نتایج نشان میدهد سینتیک DRM22 بهترین پاسخها را ارائه میدهد و دمای ناحیه حل با دمای تجربی تطابق قابل قبولی دارد. در ادامه تأثیر نرخ کشیدگی بر دمای شعله در کسرهای مولی اکسیژن مختلف مورد بررسی قرار گرفت. در این قسمت نتایج نشان میدهد که با افزایش نرخ کشیدگی دما ابتدا با نرخ زیاد و سپس با نرخ کمتر افزایش مییابد. همچنین با افزایش کسر مولی اکسیژن در یک نرخ کشیدگی مشخص، با توجه به کاهش ظرفیت گرمایی ویژه، دمای شعله افزایش مییابد.
کلمات کلیدی: احتراق، شعله لولهای، پیشآمیخته، عدد لوییس، ساختار شعله
-1 مقدمه
شعله لولهای 1 به شعلهای اطلاق میشود که سطح مقطع آن دایرهای بوده و در واقع به صورت یک استوانه توخالی شکل میگیرد. در این شعلهها شعاع شعله در طول آن ثابت باقی میماند.[1] مزیت بزرگ شعلههای لولهای با توجه به مطالعات پیشین، توزیع حرارت یکنواخت در محفظه احتراق است. در بسیاری از شعلهها مشاهده شده که دمای شعله در همه جای آن یکسان نیست در نتیجه انتقال حرارت به صورت غیریکنواخت انجام میشود؛ اما در شعلههای لولهای با توجه به هندسه آن، این عیب برطرف شده و توزیع دما نسبت به محور محفظه احتراق به صورت متقارن است . [2] بنابراین دمای شعله در همه جای آن تقریبا یکسان بوده و انتقال حرارت به صورت یکنواخت انجام میشود. با این مزیت بزرگ در شعله لولهای نوسانات حرارتی و نقاط داغ2 درون محفظه احتراق تشکیل نشده و دمای بیشینه شعله کاهش مییابد. با کاهش دمای بیشینه، تشکیل اکسیدهای نیتروژن به شدت کاهش مییابد .[3]
شعلههای لولهای به طور کلی به دو دسته تقسیم میشوند. دسته اول شعلههای لولهای در میدان جریان واکنشی چرخشی بوده که در آن سوخت و اکسیدکننده بهطور مماسی وارد محفظه احتراق میشود. در این حالت جریان چرخشی در محفظه شکل گرفته و شعله لولهای پدید میآید. دسته دوم شعلههای لولهای در میدان جریان واکنشی غیرچرخشی است که در آن سوخت و اکسیدکننده بهصورت شعاعی و با عبور از یک سطح متخلخل به محفظه احتراق وارد شده و شعله لولهای تشکیل میشود .[4]
از دیدگاه تئوری، کشیدگی شعله که توسط کارلوویتز برای توصیف خاموشی شعله در یک جریان با گرادیان سرعت به کار برده شد[5]، به صورت مشتق زمانی تغییرات سطح یک جزء بسیار کوچک در سطح شعله تعریف میشود. رابطه نرخ کشیدگی1 در شعله به صورت زیر تعریف میشود:
در این رابطه، K نرخ کشیدگی و A مساحت یک جزء بینهایت کوچک در سطح شعله بوده و سرعت آن با سرعت محلی سیال برابر است. به عبارتی نرخ کشیدگی، نرخ تغییر سطح نسبی یک جزء بینهایت کوچک بوده که همراه با شعله حرکت کرده و در راستای عمود بر شعله یا موازی با آن، منبسط یا متراکم میشود. دلیل اصلی ایجاد کشیدگی در شعلهها، واگرایی جریان در داخل محفظه احتراق است. سطح شعله لولهای، یک استوانه با شعاع ثابت است. بنابراین جزء مورد نظر به صورت یک سطح استوانهای بسیار کوچک تعریف میشود. مساحت این جزء A1 بوده و از رابطه -2 - الف - به دست میآید. با گذشت مدت زمان dt و تغییر شکل در این جزء، مساحت آن برابر با A2 میشود که به صورت رابطه -2 - ب - تعریف میشود.
با اعمال روابط فوق در معادله - 1 - ، مقدار نرخ کشیدگی در شعله لولهای به صورت رابطه - 3 - به دست میآید.
در معادله - 3 - ، V سرعت تزریق مخلوط و R شعاع محفظه احتراق است. مقدار نرخ کشیدگی ممکن است مثبت یا منفی باشد. اگر نرخ کشیدگی مثبت باشد، شعله منبسط و اگر منفی باشد، شعله متراکم میشود. این مقدار در شعله لولهای همواره مثبت بوده و این بدان معناست که شعله لولهای همواره در راستای محوری منبسط - کشیده - میشود.
پیتز و همکارانش [6] به مطالعه تجربی و عددی شعله لولهای پیشآمیخته آرام در میدان جریان غیرچرخشی پرداختند. در مطالعه تجربی از روش پراکندگی رامان و در مطالعه عددی از کد توسعه یافته آپدیف استفاده شده است. در این مطالعه، توزیع دما و غلظت گونههای مهم احتراق بهدست آمد و مطابقت قابل قبولی بین نتایج عددی و دادههای تجربی وجود داشت. پیتز [7] همچنین به مطالعه تجربی شعله لولهای غیر پیشآمیخته آرام در میدان جریان غیرچرخشی نیز پرداختند و برای بررسی تأثیر انحنا بر ساختار شعله، توزیع دمای آن را با توزیع دمای یک شعله مسطح خلاف جهت مقایسه کردند. طبق نتایج بهدست آمده در شرایطی که عدد لوییس سوخت کمتر از یک باشد، انحنا به شدت بر دمای شعله اثر گذاشته و دمای شعله نسبت به شعله مسطح خلاف جهت در حدود 80K کمتر است. در حالتی که عدد لوییس سوخت برابر یا بیشتر از یک باشد، اثر انحنا بر دما کاهش مییابد. شوپوف و همکارانش [8] به بررسی تجربی ناپایداری سلولی در شعله لولهای غیر پیشآمیخته پرداختند. ایشان مشاهده کردند که با افزایش سرعت ورودی سوخت، شعله لولهای ابتدا گسسته شده و کاملا ساختار سلولی پیدا کرده و با ادامه افزایش سرعت، سلولها کوچکتر شده و شعله در انتها خاموش میشود. ایشیزوکا و همکارانش [9] بهصورت تجربی به بررسی پایداری شعله لولهای غیر پیشآمیخته در میدان جریان چرخشی پرداختند. در این مطالعه ناحیههایی که شعله لولهای به صورت پایدار درمیآید، به کمک نمودار نسبت همارزی برحسب کسر مولی اکسیژن در اکسیدکننده، نشان داده شد. هوری و همکاران [10] به صورت تجربی به بررسی شعله لولهای در یک محفظه احتراق دو مرحلهای پرداختند. در این آزمایش از دو محفظه احتراق اصلی و ثانویه استفاده شده که محفظه اصلی، شعله لولهای ایجاد میکند و محفظه ثانویه از نوع مشعل چرخشی1 میباشند. طبق نتایج به دست آمده، غلظت اکسیدهای نیتروژن در این حالت تنها 10ppm بوده که مقدار آن 0/1 غلظت آن در حالت شعله لولهای یک مرحلهای میباشد. بردبار و پاسدارشهری [11] به صورت عددی به بررسی ساختار و محدوده پایداری یک شعله لولهای غیر پیشآمیخته در میدان جریان چرخشی و مغشوش پرداختند. طبق نتایج به دست آمده با افزایش کسر مولی اکسیژن در اکسیدکننده، محدوده پایداری شعله لولهای کاهش یافته و شعله در نسبتهای همارزی کمتر از 1 پایدار میشود.
در پژوهش حاضر شعله لولهای پیشآمیخته در میدان جریان چرخشی بهصورت عددی شبیهسازی شده و ساختار آن تعیین شده است. برای این امر از سینتیکهای یک مرحلهای، دو مرحلهای و DRM22 استفاده شده است. نتایج به دست آمده در این حالت با نتایج تجربی موجود مقایسه و حل عددی صحتسنجی شد. در ادامه تأثیر نرخ کشیدگی بر دمای شعله مورد ارزیابی قرار گرفته است.
-2 معادلات حاکم
معادلات حاکم برای شبیهسازی شعله لولهای غیر پیشآمیخته شامل بقای جرم، بقای مومنتم، بقای انرژی و بقای گونهها میباشد. برای محاسبات جریان با چگالی متغیر از روش متوسطگیری جرمی استفاده شده است. معادلات حاکم طی روابط - 4 - تا - 7 - آمده است.
