بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک نمونه محفظهی احتراق توربین گاز مدل - CAN - ، که به منظور تزریق جریان هوا از تکنولوژی ورودی پیچشی محوری بهره می-برد، با استفاده از فرضیات ساده کننده، به صورت پایا و با فرض تقارن محوری و روش RANS در حالت احتراقی و غیر احتراقی مورد مطالعه و شبیه سازی عددی قرار گرفته است. بدین منظور، در گام نخست مدل اغتشاشی STANDARD k- PRGHO در پیش بینی الگوی جریان غیر مورد حل قرارگرفتهاست.
سپس جریان احتراقی با انتخاب مدل احتراقی EDC با استفاده از سینتیک شیمیایی سوخت کروسین مایع، شبیه سازی گردیده است. همچنین در گام دوم، به منظور افزایش دقت در شبیه سازی عددی انجام شده، شبیه سازی دیگری به روش شبکه نیز انجام گرفته است. در روش شبکهای، با بکارگیری المانهای PSR به عنوان دقیقترین المان محاسباتی روش شبکهای، در تمامی نقاط حساس محفظه و شبیه سازی تمام شرایط عملکردی محفظ از جمله پاشش سوخت مایع، نواحی بازگشتی هوا، هوای تزریق شده از سوراخها و تقسیم نواحی محفظه به ریز ناحیه، سعی بر ارزش گذاری نتایج عددی شدهاست.
مقدمه
محفظههای احتراق توربین گاز قابلیت استفاده از بازهی وسیعی از سوخت-های مایع و گازی را دارند و این قابلیت نیاز به روش تحلیل مختص به خود را دارا میباشد. محفظههای لولهای1 محفظههایی هستند که در آنها چند محفظهی استوانه ای شکل با فواصل مساوی در کنار یکدیگر قرار گرفته و جریان هوای عبوری از هر کدام از آنها توسط لولههای بزرگتر جداسازی شده است.
همچنین این لولههای بزرگتر توسط رابطی به یکدیگر وصل شده اند تا در صورت خاموشی یا اختلال در عملکرد هر محفظه، انرژی محفظهی سالم به دیگری انتقال پیدا نماید. اگرچه هزینه و زمان ساخت و توسعهی این مدل محفظه ارزان و کوتاه است، اما بدلیل طول و وزن زیاد این محفظهها، استفاده از آنها در موتوهای هوایی ممنوع شده و این مدل محفظهها کاربرد صنعتی و نیروگاهی پیدا کرده اند
در سال 2006 و در دانشگاه واشنگتن، تیمی از محققان، محفظهی احتراق دارای سوخت از پیش آمیخته شدهی متان و هوا را ، پس از تحلیل به روش عددی، با بکار گیری 31 المان PSR و در نظر گیری شرایط عملکردی از جمله تزریق هوای اولیه و ثانویه، نواحی بازگشتی بوجود آمده و غیره شبیه سازی و تحلیل کردهاند. در این تحلیل ابتدا محفظه از طریق روش عددی به طور کامل شبیهسازی شده و پس از شناخت نواحی جریان داخل محفظه و با استفاده از رژیم عملکردی آن، المانهای شبکهای چیده شده و تحلیل،کامل گردیده است
سپس در سال 2008، مدل شبکهای برای محفظهی احتراق دارای سوخت از پیش آمیخته شدهی بخار کروسین و هوا، توسط آزمایشگاه لورانس پیشنهاد شده است که در این محفظه نیز با بکار گیری 8 المان PSR و در نظرگیری شرایط عملکردی از جمله تزریق هوای اولیه و ثانویه، نواحی بازگشتی بوجود آمده و... جریان احتراقی داخل محفظه شبیه سازی شده است
همچنین در سال 2009، شلبورن و همکارانش، محفظهی احتراق توربین گاز دارای سوخت از پیش آمیخته شدهی متان و هوا را پس از تحلیل عددی، با بکارگیری 10 المان PSR تجزیه و تحلیل و میزان تولید آلاینده در آن را با استفاده از روش شبکه بررسی نمودهاند. در این شبیهسازی نیز همانند دیگر شبیهسازیهای انجام گرفته، ابتدا از روش عددی میدان داخل محفظه شناخته شده و سپس با استفاده از روش شبکه، فرآیند تحلیل تکمیلی انجام گرفته است
درنهایت نیز در این گزارش، محفظهی احتراق لولهای توربین گاز سوخت مایع، پس از شبیهسازی کامل عددی و با داشتن میدان کامل احتراقی و غیر احتراقی حاصل شده از شبیه-سازی عددی، با 28 المان PSR تجزیه و تحلیل شده و نتایج آن مورد بررسی قرار گرفتهاست.
براساس آنچه بیان شد، هدف اصلی این مطالعه، بررسی بیشتر واکنش احتراقی سوخت مایع کروسین و هوا در محفظهی احتراق لولهای همراه با چرخانندهی هوای محوری میباشد که در ابتدا این شبیهسازی با روش اغتشاشات RANS و مدل احتراقی EDC انجام شده و سپس در ادامه مدل شبکهای محفظه به شکل راکتورهای سری و موازی چیده شده و محفظه تحلیل میگردد.
هندسه و شرایط عملکردی محفظهی احتراق
محفظه احتراق مورد بررسی لوله ای بوده و برای طراحی آن از محفظه احتراق مرجع [8] الگو برداری شده است. محفظهی لولهای مورد بررسی قرار گرفته دارای طول 220mm و عرض 75mm در بیشترین عرض خود میباشد. انتهای این محفظه از حالت دایرهای شکل به حالت مستطیلی تغییر شکل داده که طول این مستطیل 100mm و عرض آن 25mm می-باشد. هوای عبوری از این محفظه از یک چرخانندهی هوا عبور میکند که دارای 20 پره با عدد چرخش تقریبا یک که نسبتا عدد چرخش بالایی می-باشد، عبور میکند. قطر داخلی این چرخاننده 10,81mm و قطر خارجی آن 16,15mmو دارای طول 15mm میباشد. قطر پوسته2 که محفظه داخل آن قرار گرفته 169mm بوده که محفظه درست در وسط آن قرار گرفته است. هوای وارد شده به داخل پوسته دارای دبی 170 مترمکعب بر ساعت و سوخت پاشیده شده به داخل محفظه دارای دبی 3,9 لیتر بر ساعت میباشد. بر روی این محفظه دو ردیف سوراخ نصب شده است که ردیف اول دارای 6 سوراخ و ردیف دوم دارای 12 سوراخ میباشد. قطر تمام سوراخهای ذکر شده 10mm درنظر گرفته شدهاست. همچنین حدود %37 از جریان هوای وارد شده به casing از چرخاننده ، %20 از ردیف اول و %43 از ردیف دوم میگذرد. شکل 1 نمای کلی محفظه احتراق را نشان می دهد.
شکل-1 نمای کلی محفظهی شبیهسازی شده
روش عددی
در شبیهسازی عددی، یکی از مهمترین معضلات استفاده از مدل اغتشاشی RANS بیشتر پیش بینی کردن مقادیر اتلاف است که منجر به از دست رفتن برخی ساختارهای مهم در جریان میشود. اما سادگی این مدلها و امکان استفاده از آنها در میدانهای دوبعدی و متقارن شبیه سازیهای عددی را بیشتر به این سمت سو میدهد. در روش RANS معادلات مربوط به بقای گونههای شیمیایی و انرژی همانند سایر معادلات میانگین گیری میشوند. این امر منجر به تولبد جملههای ناشناختهی جدیدتری در معادلات مذکور میشوند. جمله ی اول مربوط به بقای گونههای شیمیایی و آنتالپی است که معمولا با استفاده از فرض گرادیان پخش1 مدل سازی می-شود و جملهی دوم مربوط به نرخ متوسط واکنش است که توسط مدلهای نرخ محدود همانند EDC جایگزین میگردد. در مدل EDC واکنشهای شیمیایی در ساختارهای کوچک اغتشاشی به صورت راکتور فشار ثابت مدل میشوند. این مدل که توسط مگنوسن توسعه یافته است به صورت گسترده در سیستمهای احتراقی رایج مورد مطالعه و صحت سنجی قرار گرفته است
پس از استفاده از مدل اغتشاشی RANS و مدل احتراقی EDC، مدل شبکهای محفظه نیز این امکان را به ما میدهد تا بدون در نظرگیری هیچ-گونه نوسانات و اغتشاشات، میدان دما، نسبتهای مولی و جرمی و غلظت آلایندهها را با کمترین هزینه و وقت محاسباتی پیشبینی کنیم. در مدل شبکهای، حجم کلی محفظهی احتراق به حجمهای کوچکتر شکسته شده و هر حجم یک 2 PSRدر نظر گرفته میشود. در این مدل برای هر حجم یک زمان اقامت گونه3 تعریف شده و این مقدار با زمان شیمیایی گونه4 مقایسه میشود و واکنش پذیری گونه در آن حجم تعیین میگردد. اصلی ترین معادلهی بکار رونده در روش تحلیل شبکه، معادلهی بقای گونه5 است که نرخ تولید و مصرف هر گونه در حجمهای محفظه، متناسب با سینتیک تعین شده برای واکنش سوخت و اکسنده محاسبه میگردد. همانطور که پیشتر نیز بیان شد، اصلیترین مزیت استفاه از روش شبکه، تحلیل محفظه ی احتراق با کمترین هزینه و وقت محاسباتی میباشد
برای شبیهسازی عددی از روش RANS و نرم افزار فلوئنت استفاده شده است. بنابراین معادلات حاکم بر مسئله شامل معادلهی پیوستگی، اندازه حرکت، انرژی و دو معادلهی آشفتگی در الگوی standard epsilon-K میباشند.
در روش مدل سازی عددی، با اعمال برخی فرضیات ساده کننده، میدان جریان سه بعدی داخل محفظه، به صورت متقارن محوری و با دقت قابل قبول شبیه سازی شده است. در شکل 2 میدان محاسباتی، شبکه و شرایط مربوط به شبیه سازی به نمایش درآمده است.
در نهایت جریان احتراقی از ناحیهی خروجی محفظه درنظر گرفتهشدهاست خارج میگردد و حل میدان عددی کامل میگردد. شبیه سازی با استفاده از حلگر فشار پایه3 به صورت ضمنی4 در فضای متقارن محوری5 و بهصورت پایا6 شبیه سازی شده است. همچنین به منظور ارتباط فشار با میدان سرعت از الگوریتم سیمپل7 استفاده شده است. در نهایت نیز گسستهسازی تمام معادلات از روش مرتبهی اول بالا دست انجام گرفتهاست.
برای اطمینان از حل عددی انجام گرفته، لازم است که ابتدا یک فرآیند استقلال از مش انجام گیرد تا اطمینان حاصل شود که با با تغییر مش، نتایج عددی حاصل شده تغییر چندانی نخواهند داشت و صحت نتایج مورد قبول واقع گیرد.
شکل-2 میدان محاسباتی دو بعدی مربوط به شرایط ورودی
در شکل2، هوای ورودی اصلی دارای مولفههای محوری و مماسی1 میباشدکه این شرایط با عنوان mass flow inlet شبیه سازی شدهاست. مولفه- ی مماسی در واقع اثر وجود پیچش را بر جریان محوری اعمال میکند.
هوای ورودی در نواحی اولیه و رقیق سازی به ترتیب اثر کامل کردن فرآینداحتراق و خنک کاری را بر عهده دارند. سوخت ورودی نشان داده شده درشکل2، سوخت مایع کروسین است که شبیه سازی آن شامل دو مرحلهی
اصلی میباشد.
مرحله ی:1 در اولین مرحله، شبیه سازی سوخت مایع کروسین که دارای فرمول شیمیایی C10H20 است، نیازمند یک سینتیک مناسب و انتخاب واکنشهای پایهی تایید شده همراه با ضرایب مناسب آرنیوس2جهت محاسبات نرخ تولید و مصرف گونهها است. این ضرایب و گونهها از مراجع 5]و[6 اقتباس شده است. جدول 2 ضرایب این واکنش ها را نشان می دهد.
مرحله ی :2 برای شبیهسازی عملکرد سوخت مایع در محفظه، روش DPM انتخاب شده است. در این روش مدل pressure-swirle-atomizer به عنوان سوخت پاش انتخاب شده است. با انتخاب زاویهی پاشش سوخت و فشار بالادست سوخت، سوخت وارد محفظه شده و پس از محاسبهی نیروی وارد بر قطرات سوخت، این قطرات شروع به تبخیر شده و اثر آن در میدان حل
شکل-4 استقلال از مش برای توزیع دما
جدول.2 ضرایب آرنیوس واکنش کروسین مایع و هوا
شکل-5 استقلال از مش برای کسر جرمی OH
