بخشی از مقاله
چكيده:
يكي از مهمترين معضلات سيستمهاي احتراقي غيرپيشآميخته پايداري شعله ميباشد كه به صورت خاموش شدن شعله ظاهر ميشود. يكي از روشهاي پايدارسازي شعلههاي غيرپيشآميخته استفاده از جسم مانع ميباشد. شعله پايدار شده توسط جسم مانع داراي يك ناحيه به گردش درآمده بعد از جسم مانع ميباشد، كه در آنجا ميدان آشفته پيچيدهاي ايجاد شده و مشابه آن در مشعلهاي صنعتي يافت ميشود.
محفظه احتراق چرخشي مجهز به جسم مانع، يكي از انواع محفظههاي احتراق است كه در توربين هاي گازي استفاده ميشود. مهمترين فرآيند در اين نوع محفظه احتراق اختلاط بين سوخت و هوا است كه در اينجا اختلاط بين جريان هواي چرخشي و جريان سوخت كه به شكل جريان داخلي غير چرخشي است صورت ميپذيرد. هدف از اين پژوهش آن است كه شبيهسازي جريان در پاييندست جسم مانع در حالتيكه جريان اكسيد كننده داراي چرخش باشد را براي جريان واكنش پذير آشفته با استفاده از مدل احتراقي فليملت آرام پايا و مكانيزم شيميايي 3.0 و مدلهاي مختلف آشفتگي انجام دهيم.
١. مقدمه
مشعلهاي چرخشي كه به طور گسترده در صنعت استفاده ميشود ميتواند باعث بهبود اختلاط سوخت و هوا شود، پايداراي شعله را بهبود بخشد و طول شعله را كاهش دهد]١.[ پايداري از ساختارهاي ايجاد شده در ميدان جريان منجر ميشود. در ميان همه ساختارها، ناحيه بازچرخشي يك ساختار مخصوص است كه توسط فرايند بازگشت گردابه شكل گرفته است
ساختارهاي ديگر شامل هسته گردابي چرخشي، لايههاي برشي و غيره است. همه اين ساختارها در بازده احتراق اثر ميگذارد و نقش مهمي در كنترل جريان واكنشي دارد. ناحيه چرخشي ناحيه كمسرعت بوده كه به عنوان منبع اشتعال پيوسته براي شكلگيري احتراق و پايداري شعله عمل ميكند
از اين رو تحليل ميدان جريان حول بلافبادي به منظور تعيين شرايط هندسي مساله، شكل نگهدار شعله، تحليل پايداري شعله و تنظيم شرايط جرقهزني كاملاً ضروري است در سال ١٩٩٤، چانگ و دهير ]٤[ جريان چرخشي متلاطم را كه بصورت مماسي وارد لوله ميشود، بررسي كردند.
اين تحقيق به صورت آزمايشگاهي انجام شده است. اين جريان مربوط به هوا بوده و در دو حالت مختلف كه از ٤ و ٦ انژكتور به درون لوله وارد ميشود، مقايسه شده است. مؤلفههاي سرعت محوري، مماسي و شعاعي بدست آمدهاند و نشان داده شده است كه مؤلفه سرعت مماسي را ميتوان با دو ورتكس اجباري و آزاد مدل كرد.
در سال ٢٠٠٣ لارتيجو و همكارانش]٥[، جريان غير واكنشي - سرد - و واكنشي - احتراقي - را در داخل يك محفظه احتراق چرخان بوسيله روشهاي آزمايشگاهي به كمك ساخت يك مدل و هم چنين با روش شبيهسازي گردابههاي بزرگ مورد مطالعه قرار دادند. درحالت سرد دادههاي روش شبيهسازي گرداب بزرگ از وجود پيشروي هسته گردابي - PVC - در جريان خبر داد. آنها همچنين نشان دادند كه در حالت سرد ميدان جريان متوسط در مقايسه با داده هاي S به منظور كيفيت قدرت چرخش استفاده آزمايشگاهي نتايج خوبي ارائه ميدهد.
در سال ٢٠٠٥ پالم و همكارانش]٦[ جريان سرد چرخشي در داخل محفظه احتراق توربين گاز را مورد بررسي قرار دادند. آنها در ابتدا اين كار را به وسيله ساخت يك مدل آزمايشگاهي و اندازهگيري دادهها با روش سرعتسنج ليزر داپلر انجام دادند. در راستاي همين كار به كمك شبيهسازي به دو روش شبيهسازي گردابههاي بزرگ و ميانگين رينولدز ناوير-استوكس اين جريان را مجدداً بررسي و دادهاي تجربي و نتايج شبيهسازي را با هم مقايسه كردند كه نشان داد مولفههاي تنش برشي با دادههاي تجربي انطباق خوبي دارند و سرعت محوري در ناحيههايي گرايادن سرعت منفي نادرست نشان ميدهد
با نظر به اين كه تلاشها در جهت كاهش مصرف سوختهاي فسيلي و به دنبال راهكارهايي براي افزايش راندمان انجام ميشود اين موضوع حائز اهميت ميباشد. به همين دليل شعله پايدار شده توسط جسم مانع يك نمونه مناسب و ايدهآل براي مشاهدات درهمكنش بين آشفتگي و واكنشهاي شيميايي است و پلي بين مسائل تئوري و كاربردهاي مهندسي ميباشد. هدف از اين پژوهش، آن است كه با استفاده از مدل فليملت پايا و با روش هاي مختلف آشفتگي شعلهي غيرپيش مخلوط مغشوش را مدلسازي كند و بررسي كند كه كدام مدل آشفتگي جوابهاي بهتري را ارائه ميدهد . نوآوري اين پروژه استفاده از مدلهاي مختلف در تعيين ميدان دما، سرعت، كسر مخلوط در جريان احتراقي و مقايسه با نتايج تجربي است.
٣. حل عددی
٣-١. مدل فيزيكي مسئله
شكل١ ساختار شماتيكي از مشعل چرخشي سيدني نشان ميدهد. مشعل چرخشي بر اساس مشعل بلافبادي ساخته شده است. جت سوخت از لوله مركزي به قطر ٦/٣ ميليمتر خارج ميشود كه از اطراف توسط بلاف بادي به قطر ٥٠ ميليمتر احاطه شده است. جريان چرخشي از لوله حلقوي به پهناي ٥ ميليمتر خارج ميشود. چرخش از سه ورودي مماسي هر كدام به قطر ٧ ميليمتر كه ٣٠٠ ميليمتر بالاتر از سطح جلوي بلاف بادي قرار گرفته است توليد ميشود. سطح مقطع هواي سرد ثانويه ١٣٠ ميليمتر مربع در نظر گرفته شده است. چهار سرعت در ميدان جريان موثر هستند: سرعت جت مركزي U ، سرعت محوري چرخشي U ، سرعت مماسي چرخشي W و سرعت جريان هواي سرد . U عدد چرخش ميشود
سرعت در اين حالت انتخابي توسط سرعت سنج ليزر داپلر - LDV - اندازه گيري شده است. كه شامل سرعت هاي نوساني و متوسط و تنش برشي در هشت مقطع عرضي در راستاي خطوط جريان است.
شكل ١. شماتيكي از مشعل توليد كننده چرخش
٣-٢. شبكه و شرايط مرزي
اساساٌ دامنه محاسباتي به شكل يك دامنه مستطيل ساده ميباشد. در اين مقاله دامنه محاسباتي به شكل مرسوم مستطيل همانند شكل٢ ميباشد. قطر بلافبادي D به عنوان مشخصه طول در جهت محوري و شعاع آن R به عتوان مشخصه طول در جهت شعاعي در نظر گرفته شد. اين مستطيل در جهت محوري داراي طول ٢٤٠ ميليمتر و در جهت عرضي ٨٠ مليمتر ميباشد. در اين مقاله جت سوخت مركزي در جهت عرضي به ١١ سلول و ناحيه چرخشي به ٥٥ سلول در جهت عرضي و در جهت طولي به ٣٠٠ گره تقسيم شد. و در مجموع شامل ٧٣٨٠٠ گره است.
شكل٢. نمونه شبكه توليد شده
پارامترهاي جريان استفاده شده در اين مطالعه در جدول١ ليست شده است.
جدول١. مشخصات شعله
و نوع شرايط مرزي استفاده شده در اين مطالعه به صورت شكل٣ ميباشد. و شرط عدم لغزش در ديوار و نبود تشعشع نيز اعمال شده است.
شكل٣. شرايط مرزي
براي حل معادلات حاكم توسط روش عددي روش حجم محدود به كار گرفته شد. در اين روش تغييرات ميدان جريان در هر حجم كنترل در نظر گرفته شد. تقارن چرخش در حالت دوبعدي اعمال شد.. الگوريتم SIMPLE براي كوپل فشار و سرعت به كار برده شده است. تفاضل مركزي مرتبه دوم براي ترم ويسكوز استفاده شد. از آنجايي كه جريان مورد بحث جريان چرخشي است و معمولاٌ غيرايزوتوپ است روش منطقي براي مدلسازي تنشهاي رينولدزي معادلات RSM است.
٣-٣. فرضيات مسئله
فر ضياتي كه براي نوشتن معادلات حاكم، لحاظ شده عبارتست از: ١- به دليل استفاده از مدل فليملت پايا جريان بصورت پايا در نظر گرفته ميشود.
٢- به دليل آنكه عدد ماخ كمتر از ٣/٠ است، فرض ميشود كه جريان بصورت تراكم ناپذير باشد.
٣- از قوانين فيك، نيوتن و معادله حالت گاز در اين تحليل استفاده ميشود.
٤- فرض ميشود كه جريان بصورت آشفته است. از مدل شيميايي فليملت آرام پايا و مدلهاي آشفتگي مختلف دو معادله اي k − ε - استاندارد، k − ε RNG و k − ε Realizable و k − ω standard و - k − ω SST استفاده شده است.
٥- روش حجم محدود براي گسسته سازي معادلات حاكم استفاده ميشود.
٣-٤. نتايج
براي پيشبيني ميدان احتراقي، ابتدا خطوط جريان ميدان اختلاط بررسي ميشود. خطوط جريان نزديك مانع بلافبادي در شكل ٤ نشان داده شده است. همانطور كه مشاهده ميشود دو ناحيه گردابهاي در خطوط جريان وجود دارد.
