بخشی از مقاله
چکیده
در پژوهش حاضر، اثر دبی جرمی انژکتور هوا بر روي یکنواختی پروفیل دماي گازهاي اگزوز در یک محفظه احتراق توربین گاز - که سوخت کروسین مصرف مینماید - و همچنین آلاینده هاي تشکیل شده در درون آن نظیر دوده، مونوکسید کربن و دي اکسید کربن مطالعه میشود. جهت انجام این مطالعه عددي، در ابتدا لازم است تا از صحت و دقت محاسبات انجام شده جهت پیش بینی ساختار شعله اطمینان به عمل آمده و به اعتبارسنجی نتایج عددي بدست آمده پرداخته شود.
در راستاي نیل به این مهم، شعله آشفته کروسین-هوا به صورت عددي شبیهسازي شده و نتایج بدست آمده با دادههاي اندازهگیري شده در آزمایش مقایسه میشود. مقایسه مزبور حاکی از دقت نتایج عددي بدست آمده در پیش بینی ساختار شعله مذکور است.
در ادامه، محفظه احتراق مذکور به انژکتور هواي اولیه تجهیز شده به نحوي که هواي ورودي به محفظه احتراق به دو بخش تقسیم و هواي اولیه با انژکتور نصب شده به داخل محفظه تزریق میشود. بقیه هواي ورودي نیز به صورت جریان هواي ثانویه وارد محفظه احتراق میگردد. جهت بررسی اثر انژکتور هواي اولیه، نسبت جریان هواي اولیه و ثانویه تغییر داده شده و به مقایسه نتایج بدست آمده پرداخته میشود. مطالعات حاضر نشان میدهد که نصب انژکتور هواي اولیه میتواند به کاهش آلایندههاي مختلف و همچنین بهبود یکنواختی پروفیل دماي گازهاي اگزوز - جهت ورود به توربین گاز - کمک شایانی نماید.
-1 مقدمه
در محفظه احتراق موتورهاي توربین گاز - موتورهاي هوایی - ، هواي ورودي به محفظه احتراق در نواحی مختلف به نحو مناسبی توزیع میشود. انجام اینکار به جهت داشتن احتراق پایدار و همچنین کنترل دماي گازهاي خروجی از محفظه احتراق - که در ادامه وارد توربین میشود - میباشد. با این توصیف، توزیع مناسب هواي وروردي به محفظه عامل مهمی در طراحی محفظه احتراق میباشد.
محققین زیادي تشکیل آلایندههاي مختلف نظیر CO، CO2 و NOx را در فرآیند احتراق بررسی نمودهاند. این در حالی است که در رابطه با سایر آلایندههاي احتراقی لازم است تا ملاحظات بیشتر و بررسی قابل توجهی صورت پذیرد. یکی از آلایندههاي مهم دوده میباشد که نیاز است تا توجه بیشتري به آن در رابطه با نحوه تشکیل و کنترل این آلاینده معطوف شود. دوده یکی از گونههاي مهم آئروسل در اتمسفر بوده که به سبب اندازه بسیار کم قطر ذرات آن - نانومتر - نیروي جاذبه تاثیر چندانی بر روي آن ندارد و لذا میتواند در محیط براي هفتهها معلق باقی بمانند.
همچنین با توجه به اندازه ریز این ذرات معلق، این آئروسل نمیتواند توسط سیستم تنفسی انسان فیلتر شود. از سوي دیگر، نانوذرات معلق باقیمانده در اتمسفر اثرات شدیدي بر روي انتقال حرارت تشعشعی در جو دارند. بنابراین، این نانوذرات مضر، که داراي اثرات منفی شدیدي بر روي محیط و سلامت انسانهاست، بایستی از جنبههاي مختلف مورد مطالعه و بررسی قرار گیرند.
دینامیک سیالات محاسباتی CFD به عنوان یک وسیله محاسباتی براي پیش بینی آلایندههاي گازي شکل در برنرهاي مختلف و همچنین بهبود طرحها از دیدگاه کاهش آلایندههاي مضر کاربرد فراوانی داشته است. با مروري بر ادبیات موضوع میتوان دریافت که در دهههاي اخیر مدلسازي آئروسل دوده غالبا در شعلههاي آرام و عمدتا براي سوختهاي هیدروکربنی ساده صورت گرفته است
این در حالی است که براي سوختهاي هیدروکربنی ساده، مدلسازي نانو آئروسل دوده در شعلههاي آشفته کمتر مورد بررسی و عنایت قرار گرفته است .[9-6] این مساله براي سوختهاي رایج نظیر کروسین [11 ,10] ، بنزین [12] و دیزل [14 ,13] به شدت حادتر هم میشود. لذا با توجه به اهمیت این موضوع لازم است تا احتراق آشفته سوختهاي رایج همانند کروسین مورد توجه بیشتري قرار گرفته و نحوه تشکیل دوده در این شعلهها مورد بررسی قرار گیرد.
مروري بر ادبیات موضوع نشان میدهد که محققین و طراحان محفظههاي احتراق موتورهاي هوایی عمدتا بر روي کاهش سایر آلایندههاي احتراقی نظیر اکسیدهاي نیتروژن متمرکز بودهاند. با توجه به اهمیت موضوع ذکر شده نیاز است تا بررسی و کاهش نانوآئروسل دوده به عنوان یک آلاینده مهم احتراقی نیز در محفظههاي احتراق نیز مورد مطالعه قرار گیرد.
در تحقیق حاضر، هدف بررسی تاثیر انژکتور هواي ورودي به محفظه احتراق توربین گاز بر روي تولید آلایندههاي مختلف نظیر دوده، اکسیدهاي گازي شکل کربن و همچنین یکنواختی پروفیل دماي گازهاي اگزوز خروجی از محفظه است. براي انجام اینکار، مدل دومعادلهاي دوده، مدل دومعادلهاي آشفتگی ، مدل احتراقی فلیملت و مکانیزم شیمیایی متشکل از 121 گونه شیمیایی و 2613 واکنش شیمیایی بنیادین بکار گرفته میشوند. در آغاز کار و به صورت مرسوم نتایج عددي بدست آمده از شبیهسازي اعتبارسنجی میشوند.
به عبارت دیگر، یک نمونه مساله معیار که نتایج تجربی آن نیز موجود است انتخاب و حل عددي میشود. جهت اعتبارسنجی نیز، جوابهاي عددي بدست آمده با دادههاي اندازهگیري شده در آزمایش مقایسه میشود. اعتبارسنجی فوق به صورت ارزیابی ساختار شعله پیشبینی شده توسط حلگر عددي در قیاس با دادههاي تجربی آن است. مساله معیار انتخاب شده، یک شعله آشفته غیر پیش مخلوط کروسین-هوا بوده که توزیعهاي کسر مخلوط، دما و کسر حجمی دوده در داخل شعله مورد بررسی و قیاس قرار میگیرد.
نتایج بدست آمده بیانگر اعتبار نتایج عددي بدست آمده براي پیش بینی ساختار ضعله فوق است. در ادامه، یک انژکتور هوا بر روي محفظه احتراق توربین گاز نصب شده، به نحویکه با تقسیم نمودن هواي ورودي به محفطه به دو بخش، به تزریق بخشی از هواي ورودي به داخل محفظه - جریان هواي اولیه - میپردازد. بقیه جریان هواي ورودي به محفظه - جریان هواي ثانویه - نیز همانند قبل وارد محفظه احتراق میشود.
نتایح بدست آمده براي دو محفظه احتراق در حالتهاي با و بدون تعبیه نمودن انژکتور هواي اولیه با هم مقایسه شده تا تاثیر انژکتور هواي اولیه بر روي رفتار جریان محترق داخل محفظه احتراق توربین گاز شناسایی شود. در ادامه، نسبت هوا بین دو جریان هواي اولیه و ثانویه تغییر داده شده و نتایج بدست آمده با هم مقایسه میشوند. با انجام اینکار، اثر دبی جرمی انژکتور هواي اولیه بر روي غلظت دوده و اکسیدهاي کربن و همچنین یکنواختی پروفیل دماي گازهاي اگزوز خروجی از محفظه احتراق شناسایی و مطالعه شود.
-2معادلات حاکم
براي تحلیل جریان احتراقی آشفته پایاي تقارن محور، باید به حل معادلات حاکم بر آن پرداخت. به بیان دیگر، باید معادلات نویر-استوکس به همراه معادلات انتقال براي انرژي، ممانهاي کسر مخلوط، انرژي جنبشی آشفتگی و نرخ اضمحلال آن را حل عددي نمود. با حل معادلات فوق، میتوان رفتار جریان محترق در داخل محفظه احتراق را توصیف نمود. همچنین با حل معادلات حاکم بر شیمی و دینامیک آئروسل دوده، میتوان رفتار دوده را در داخل محفظه احتراق توربین گاز توصیف نمود. در این بخش، معادلات حاکم بر جریان آشفته محترق و دوده به صورت خلاصه بیان میشوند. این معادلات در ادامه آمده است.
-1-2جریان سیال و معادلات آن
در مختصات استوانهاي r,z معادلات حاکم جریان شامل معادلات بقاي جرم و مومنتومها به شرح زیر میباشند:
که در روابط فوق، نیروي بویانسی برابر B z g و ضریب لزجت موثر برابر µe µl µt میباشند. در مطالعه حاضر، l به صورت تابعی از دما در نظر گرفته می شود .
-2-2آشفتگی و معادلات آن با استفاده از مدل آشفتگی استاندارد، به حل کمیات آشفتگی-
انرژي جنبشی آشفتگی و نرخ اضمحلال آن- پرداخته شده و سپس از روي آن ضریب لزجت آشفته جریان از رابطه – µt cd 2که در آن cd 0.09 میباشد- محاسبه میگردد. معادلات انتقال براي این کمیات آشفتگی - انرژي جنبشی آشفتگی و نرخ اضمحلال آن - به شرح زیر می-باشند:
با در نظر گرفتن جت محصور و مدور، ثوابت مدل آشفتگی در روابط فوق به صورت 0.9 ، 1.22 ، C 1 1.44 و C 2 1.84 خواهند بود .[16] همچنین نیاز است تا در نزدیکی دیواره از توابع دیواره مناسب استفاده شود. به بیان دیگر، از مقادیر و بدست آمده از این روابط جهت اعمال شرط مرزي آشفتگی در نزدیکی دیواره استفاده میشود .
-3-2انرژي و معادله انتقال حرارت چنانچه عدد لویس برابر واحد فرض شود، معادله انرژي میتواند به صورت زیر - معادله انتقال انتالپی کل - خلاصه شود
در مطالعه حاضر، تابش حرارتی با فرض گازهاي اپتیک-ضخیم حساب می گردند. لذا جمله چشمه در معادله بقاي انرژي تنها به صورت تابش گونههاي شیمیایی تابنده لحاظ شده و. تابش دوده نیز با فرض اینکه در محدوده اپتیک-ضخیم قرار دارد، مورد محاسبه قرار میگیرد.
-4-2احتراق و معادلات آن براي مدل سازي احتراق در شعله غیر پیش آمیخته آشفته از مدل فلیملت
استفاده شده است .
مفهوم فلیملت، به شعله آشفته به صورت مجموعه اي از ساختارهاي فلیملت در میدان جریان سیال مینگرد. این فلیملتها به صورت ثابت، محلی، تک بعدي، آرام و نازك در نظر گرفته میشوند. به بیان دیگر، مجموعه فلیملتهاي آرام به وسیله جریان سیال آشفته اطراف مورد کشش و تغییر شکل قرار میگیرند. با در نظر گرفتن مدل احتراقی فلیملت گونههاي شیمیایی مختلف با مکانیزم سینتیک شیمیایی جزئی وارد محاسبات میشوند. براي تسخیر فرایند تحولی دوده به صورت دقیق، از یک مکانیزم شیمیایی شامل 121 گونه شیمیایی و 2613 واکنش شیمیایی بنیادین - رفت و برگشتی - استفاده میشود. جدول 1 لیست این گونههاي شیمیایی را نشان میدهد.
جدول -1 گونههاي شیمیایی موجود در مکانیزم شیمیایی مورد استفاده
جهت اعمال مدل احتراقی فلیملت، بایستی دو معادله انتقال براي دو ممان اول کسر مخلوط یعنی کسر مخلوط و پراکنش کسر مخلوط - واریانس کسر مخلوط - بر روي دامنه حل به صورت عددي حل شود. معادلات انتقال براي دو ممان اول کسر مخلوط به صورت زیر است:
در معادلات فوق، cg 2.86 و . c 2.0 اندرکنش آشفتگی-شیمی به وسیله توابع چگالی احتمال مرسوم مورد محاسبه قرار میگیرد. پس از انجام محاسبات مربوطه، نتایج بدست آمده به صورت جداول مراجعه تهیه شده به نحوي که با رجوع به این جداول، کمیات ترموشیمیایی در کل دامنه حل بدست میآیند.
-5-2آئروسل دوده و معادلات آن جهت در نظر گرفتن شیمی و دینامیک آئروسل دوده، مدل دو معادلهاي
دوده –که در آن دو معادله انتقال براي کسر جرمی و چگالی تعداد دوده حل میشود- انتخاب میشود. این معادلات انتقال در زیر آمده است:
با فرض انعقاد دوده از فاز گازي شکل و همچنین انباشتگی در رژیم مولکولی آزاد، جملات چشمه در معادلات بقاي کسر جرمی و عدد چگالی دوده از روابط زیر بدست میآید
