بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق به بررسی پنج هندسه مختلف با عنوانهای بسته، باز، مقعر، محدب و سینوسی به عنوان شعله نگهدار پرداخته میشود. هدف بررسی دینامیک جریان و کمینه کردن نیروی پسای وارده بر شعله نگهدار در جریان سرد که در آن احتراقی صورت نمیگیرد، میباشد. نتایج شبیهسازیها با نتایج تحقیقات تجربی انجام شده روی نوع هندسه شعله نگهدار ساده بسته مقایسه و اعتبارسنجی میشود. برای انجام شبیهسازیها از مخلوط پیش آمیخته پروپان و هوا در 4 عدد رینولدز ورودی 10670، 25908، 40500 و 56947 در دمای ثابت 298 درجه کلوین استفاده میشود.
از مدل آشفتگی تنشهای رینولدز برای مدلسازی جریان آشفته استفاده میشود. برای به دست دادن جزئیات گذرای جریان، شبیهسازیها به صورت ناپایا انجام میشود. در بخش جریان سرد، دینامیک جریان بررسی و طول ناحیه بازچرخشی با نتایج تجربی مقایسه میشود. همچنین پدیده ریزش گردابهها نیز مورد توجه و بررسی قرار میگیرد. سپس ضرایب نیروی پسا در حالت جریان سرد برای پنج هندسه مقایسه و مشاهده میشود که هندسه سینوسی و محدب کمترین ضریب پسا را به دست میدهد. از نتایج این تحقیق می-توان برای باز طراحی اجسام شعلهنگهدار به خصوص در موتورهای هوایی استفاده کرد.
-1 مقدمه
در هواپیماهای با موتورهای هوا تنفسی مانند موتورهای توربوجت و توربوفن در حالت برخاستن از زمین، دور زدن یا مانور به نیروی پیشران بسیار زیادی نیاز است. برای تولید این نیروی پیشران اضافه در این نوع موتورها، علاوه بر احتراق در محفظه احتراق، از پسسوز نیز برای احتراق مجدد هوای باقیمانده از احتراق اصلی با سوخت استفاده میشود. این در حالی است که با توجه به سرعت بالای جریان در پسسوز، کنترل و پایداری احتراق دشوار است. برای حفظ احتراق در چنین حالتی، از شعله نگهدار استفاده میشود .[1]
شعلهنگهدارها در موتورهای هوا تنفسی، با ایجاد ناحیه بازچرخشی در پشت خود، باعث اختلاط سوخت و هوا و همچنین ترکیبات داغ احتراق پیشین میشود و به مثابه یک شعله پیوسته برای حفظ احتراق عمل میکند. از طرف دیگر، وجود شعله نگهدار و ساختار نگهدارنده آن در پسسوز، باعث اعمال نیروی پسایعمدتاً از نوع فشاری بر جریان میشود. بنابراین طراحی مناسب شعله نگهدار، از نظر پایداری احتراق در سرعتهای بالا و کسرهای اکسیژن پایین و همچنین تولید نیروی پسای کمینه، دارای اهمیت است .[2]
جریان گذرنده از شعله نگهدار، علاوه بر اهمیت کاربردی، از لحاظ مطالعه آشفتگی و احتراق و برهمکنش این دو نیز حائز اهمیت است. این جریانها که به صورت تجربی نتایج زیادی از آنها گزارش شده است، به عنوان مورد مطالعاتی برای اعتبارسنجی مدلهای پیشنهاد شده مورد توجه هستند. تحقیقات و مطالعات تجربی و عددی مختلفی روی جریان گذرنده از شعله نگهدار انجام شده است. در این تحقیقات اثرات هندسه، نسبت انسداد جریان، شرایط جریان و همچنین مدلهای مختلف احتراقی و آشفتگی برای شبیهسازی، بررسی شده است.
در تحقیقات تجربی و عددی انجام شده توسط کایل1 و همکاران که مبنای اعتبارسنجی نتایج شبیهسازی تحقیق حاضر نیز میباشند، به بررسی جریان سرد و محترق گذرنده از شعله نگهدار بسته با لبه حمله منحنی در یک کانال پرداخته شده است. ایشان با استفاده از تکنیک عکسبرداری داپلر لیزری و عکسبرداری سرعت بالا ابتدا جریان سرد و تغییرات ناحیه بازچرخشی در آن و سپس جریان محترق در رینولدزهای ورودی مختلف را مورد مداقه قرار دادند. در ادامه، تغییرات تولید گردابههای دنبالهای کارمن و تأثیرپذیری آن از شرایط ورودی را بررسی کردند. همچنین برای جریانهای محترق در شرایط نزدیک به خاموشی شعله، ارتباط بین عدد رینولدز ورودی و نسبت هم ارزی خاموشی را بررسی کردند .[3] ایشان تحقیقات مشابهی روی شعله نگهدار باز، مکعبی و استوانه-ای برای مطالعه روند دینامیکی خاموشی شعله و هیدرودینامیک جریان سرد پیرامون اجسام شعله نگهدار انجام دادند .[4]
بررسی مقیاس و دینامیک روند خاموشی شعله در شعلههای پایدار شده با شعله نگهدار، در تحقیقی توسط شنبهوجو2 و همکاران مورد بررسی قرار گرفت. در این پژوهش، به هیدرودینامیک جریان سرد در پشت یک شعله نگهدار مثلثی شکل پرداخته شد و نواحی دینامیکی مختلف شناسایی و تأثیر وجود شعله روی آنها بررسی شد. در این تحقیقات، تفاوت قابل توجهی بین دنباله ناشی از جریانهای سرد و محترق مشاهده شد. در تحقیقات روی شعلههای نزدیک به خاموشی، مناطق متغیر زمانی و مکانی به مانند سوراخهایی در صفحه شعله مشاهده شد. تعداد و سطح این سوراخها با نزدیک شدن شعله به خاموشی، افزایش مییابد. نتیجه نهایی این تحقیق به این صورت گزارش شده است که خاموشی شعله در قدمهای متوالی از خاموشیهای موضعی تا به هم ریختگی در مقیاس بزرگ و در نهایت خاموشی شعله اتفاق میافتد .[5]
حیدر3 و همکاران به طراحی یک پسسوز کوچک با شعله نگهدارهای مثلثی باز و تعیین توزیع بهینه آنها در یک کانال حلقوی پرداختند .[6] سانگ4 و همکاران نیز در تحقیقی تجربی روی شعله نگهدار با لبه مثلثی باز در یک محفظه مدل احتراقی، به بررسی محدوده پایداری شعله، هیدرودینامیک جریان، تأثیر طول محفظه احتراق و نوسانات فشار روی احتراق پرداختند. در این تحقیق، نوسانات جریان در پشت شعله نگهدار و روند تغییر آن در حضور شعله بررسی شد. همچنین نتیجه گرفته شد که نوسانات طولی شعله و جریان تابعی از دبی جرمی هوای ورودی، هندسه شعله نگهدار و نسبت باز شدگی نازل میباشد .[7]
لاندریگان5 به بررسی تأثیر نسبت دمای شعله - نسبت بین دمای محصولات احتراق و دمای واکنشگرهای مصرف نشده - پرداخته و تأثیر آن روی دو نوع ناپایداری مشاهده شده در دینامیک جریان اطراف شعله نگهدار یعنی ناپایداریهای کلوین-هلمهولتز و بنارد-فونکارمن را مورد ارزیابی قرار داد. او دریافت که نسبت دمای شعله بالا باعث کاهش ناپایداریهای فون کارمن میشود. هندسه شعله نگهدار مورد استفاده از نوع مثلثی با لبه جلویی منحنی و عقب باز بوده است .[8] سرینی واسان و همکاران در تحقیقی عددی، به بررسی روش کاهش نیروی پسای شعله نگهدار با هندسه وی گاتر، در حالت پسسوز خاموش موتور، پرداختند. ابتدا سعی شد که رفتار جریان در حالت پسسوز خاموش، در حال گذر از شعله نگهدار تحلیل شود.
سپس با قرار دادن اجسام با مقاطع مختلف در بالادست و پاییندست جریان سعی شد که با تغییر هیدرودینامیک جریان به کاهش نیروی پسای شعله نگهدار پرداخته شود. نتایج تحقیق بیانگر این نکته بودند که با قرار دادن اجسام مانع در ترکیب با شعله نگهدار در بالادست یا پاییندست جریان، نیروی پسای شعله نگهدار کاهش مییابد. همچنین مشاهده شد که ضریب نیروی پسا برای اجسام برای لبههای گرد، کمتر از اجسام با لبههای تیز است و قرار دادن اجسام با هندسههای مختلف در پایین دست جریان بیشتر از قرار دادن آنها در بالا دست جریان باعث کاهش نیروی پسا میشود .[2]
بررسی جریان و احتراق در پسسوز موتورهای هوا تنفسی در گذر از شعله نگهدار به صورت عددی با کاربرد مدل کی-اپسیلون و مدل احتراقی تابع چگالی احتمال1 توسط استفان2 و همکاران انجام شده است. در این تحقیق، در دو حالت پسسوز روشن و خاموش، به صورت دو بعدی به بررسی کاربرد شعله نگهدار برای پایدار نگه داشتن احتراق پرداخته شده است. همچنین تغییر زاویه باز شدگی نازل خروجی روی عملکرد پسسوز بررسی شده است. شایان ذکر است هندسه شعله نگهدار به صورت لبه مثلثی باز مدل شده است .[9]
با توجه به بررسی انجام شده روی تحقیقات پیشین در زمینه شعله نگهدار و پایداری احتراق، میتوان دید که روی شعله نگهدار با هندسه دارای لبههای منحنی عقبی و مقایسه هندسههای مختلف باز، بسته، مقعر، محدب و سینوسی تحقیق تجربی یا عددی انجام نشده است. به طور ویژه، ایده استفاده از هندسه سینوسی طبق اطلاعات نگارندگان، پیش از این به کار برده نشده و جزء نوآوریهای این تحقیق است. تولید نیروی پسای هندسه سینوسی در حالت جریان سرد با هندسه رایج مقایسه و ارزیابی میشود.
برای رسیدن به این اهداف، اعتبارسنجی حل عددی با نتایج تجربی موجود در مرجع شماره [3] برای هندسه ساده انجام میشود. سپس از روش اعتبارسنجی شده، به شبیهسازی هندسههای مختلف ساده بسته، باز، مقعر، محدب و سینوسی پرداخته میشود. برای مدلسازی از مدل آشفتگی تنشهای رینولدز استفاده و جریان برای به دست دادن خواص گذرا به صورت ناپایا مدل میشود. از هندسه بهینه در میان این گزینهها، میتوان به عنوان شعله نگهدار در باز طراحی پسسوز موتورهای جت و توربوفن موجود استفاده کرد. همچنین میتوان چنین هندسهای را به عنوان پایدارساز شعله در دیگر موارد کاربردی، مورد استفاده قرار داد.
-2 هندسه مسئله
هندسه مسئله به صورت دو بعدی تعریف میشود. شعله نگهدار با 5 هندسه ساده بسته، باز، مقعر، محدب و سینوسی طراحی میشود. هندسه ساده بسته که مرجع دیگر هندسهها میباشد و ابعاد کانال در شکل 1 آورده شده است. تغییرات در ضلعی از هندسه اصلی که در ناحیه دنباله قرار میگیرد اعمال میشود. ابتدا ضلع شعله نگهدار در تماس با ناحیه دنباله حذف میشود تا هندسه شعله نگهدار باز به دست آید. سپس این ضلع تبدیل به یک کمان با قوس به سمت داخل شعله نگهدار میشود تا هندسه مقعر به دست آید. در ادامه کمان برابری با کمان مقعر، به سمت بیرون هندسه شعله نگهدار ایجاد میشود تا هندسه محدب شعله نگهدار به دست آید. در انتها نیز ضلع شعله نگهدار در مجاورت ناحیه دنباله، تبدیل به موجی از سه نیم دایره مشابه میشود تا هندسه سینوسی شعله نگهدار به دست آید. هندسههای مورد نظر حاصل در شکل 2 نمایش داده شدهاند.
