بخشی از مقاله
خلاصه
در این مقاله به شبیهسازی سه بعدی یک توربین گاز پرداخته شده است. محفظه مورد مطالعه محفظهای استوانهای که انژکتور طراحی شده در وسط محفظه احتراق قرار دارد و هوا از اطراف مجرای سوخت وارد محفظه احتراق میشود. برای حل معادلات حاکم از روش حجم کنترل و برای تمامی ترم-ها از روش گسسته سازی مرتبه دوم استفاده شده است.
همچنین محاسبه میدان فشار با الگوریتم سیمپلسی - - انجام شده است. برای مدلسازی برهمکنش فاز سوخت مایع و هوا نیز از دیدگاه اویلر/ لاگرانژی بهره گرفته شده است. در این دیدگاه معادلات حاکم بر فاز هوا و فاز سوخت به طور متناوب حل میشوند. مدلسازی احتراق قطرات سوخت و برهمکنش آشفتگی/ احتراق با مدل و شبیهسازی رفتار آشفته جریان با مدل انجام شده است. مدلسازی تشکیل دوده نیز با استفاده از روشMoss-Brookes استفاده شده است . نتایج شبیهسازی عددی توزیع دما، تشکیل دوده به دست آمده مطابقت قابل قبولی با دادههای تجربی دارد.
.1 مقدمه
یکی از مشکلات مقوله احتراق، تولید آلاینده ها و اثرات مضر زیست محیطی آنها می باشد. از آلاینده هایی که در اثر احتراق تولید و منتشر می شوند میتوان خانواده اکسیدهای نیتروژن، اکسیدهای گوگرد، منواکسید کربن، دوده و غیره را نام برد . محققان پژوهشهای فراوانی در خصوص جریانهای واکنشی در محفظه احتراق به هدف افزایش راندمان حرارتی و کاهش تولید و انتشار آلاینده ها انجام داده اند. که به برخی از آنها اشاره می شود.
ون و همکارانش [1] به بررسی مدلسازی تشکیل دوده در محفظه احتراق استوانه ای کروسین و هوا پرداختند. ایلباس و همکارانش[2] در پژوهشی به بررسی تولید اکسید نیتروژن در احتراقهای هیدروژنی به کمک حل عددی، به روش حجم محدود و با درنظر گرفتن تأثیرات تشعشع و برای سه نوع سوخت پرداخته و در نهایت به این نتیجه رسیده اند که اولاً انتشار اکسید نیتروژن در احتراق هیدروژنی، به دلیل بالا بودن دما، به مراتب بیشتر از احتراق سوخت متان است و ثانیاً مخلوط کردن هیدروژن و متان منجر به کاهش قابل ملاحظهای در تولید اکسید نیتروژن میشود.
کامرون [3]، هیتور و وایت[4] و کوپر و لورندی[5 ] کارهای تجربی خود را به بررسی اثرات عوامل مهمی چون نسبت هوا به سوخت، فشار و دمای ورودی در محفظه احتراق برای سوخت های گاز و مایع اختصاص دادند.
کورک و همکاران [6] به مقایسه داده های تجربی موجود با مدلسازی عددی به کمک مدل احتراقی استهلاک ادی و مدل آشفتگی استاندارد پرداختند. در این شبیه سازی از تشعشع صرف نظر شده و تخمین میزان آلایندگی مورد بررسی قرار نگرفت.کورک به این نکته اشاره کرد که یکی از دلایل اختلاف نتایج مدلسازی و نتایج تجربی عدم شبیه سازی تشعشع می باشد.
وولی و همکارنش [7] به مدلسازی محفظه احتراق غیرپیش مخلوط و آشفته ی متان و پروپان پرداختند. آن ها در مطالعه خود به بررسی تشکیل دوده پرداختند.
لورندی [8] کارهای تجربی خود را به بررسی اثرات عوامل مهمی چون نسبت هوا به سوخت، فشار و دمای ورودی در محفظه احتراق برای سوختهای گاز و مایع اختصاص دادند. مریم امیری در سال 90 به شبیهسازی عددی جریان احتراقی و تولید آﻻیندهای Nox و دوده در دیفیوزرها و مسیرهای همگرا و واگرا پرداخت. به این نتایج رسیده است که با افزایش دما میزان تشکیل دوده افزایش مییابد از طرفی دمای بالای محفظه احتراق سبب احتراق دوده و کاهش آن در خروجی میگردد . همچنین با افزایش دما میزان تشکیل دوده افزایش مییابد از طرفی دمای بالای محفظه احتراق سبب احتراق دوده و کاهش آن در خروجی میگردد.
-2 معادلات حاکم
با توجه به نوع مسئله معادلات حاکم جهت تعیین میدان جریان و توزیع دما شامل معادلات اساسی بقای جرم، مومنتوم، انرژی و معادلات مربوط به مدل جریان آشفته و همچنین جهت تعیین غلظت گونه ها معادلات مربوط به کسرهای جرمی است. فرم کلی معادلات جریان پایا و دائم در یک مختصات استوانهای به صورت زیر میباشد: که در آن ضریب نفوذ موثر و ترم مربوط به چشمه و یا چاه حرارتی است.نمایانگر متغیر وابسته است که می تواند جرم، مومنتوم، انرژی جنبشی آشفتگی و آنتالپی و کسر جرمی اجزا باشد.
-3 مدل آشفتگی
شبیه سازی آشفتگی از مدل که توسط شی [9] - shih - پیشنهاد شده استفاده شده است.که نقطه
ضعف سایر مدلهای را که معادله نرخ اضمحلال میباشد را ندارد. در این مدل، معادلات k و به قرار زیر است:
-4 مدلسازی تشعشع
معادله انتقال تشعشع برای یک محیط جاذب، ناشر و پخش کننده در موقعیت و جهت به صورت زیر میباشد: که در آن بردار موقعیت ، بردار جهت پخش ، ضریب جذب، ضریب شکست، ضریب پخش، ثابت استفان-بولتزمن و شدت تشعشع کلی که به موقعیت و جهت وابسته است و دمای محلی و تابع حالت و زاویه فضایی و ضخامت نوری محیط میباشد. ضریب شکست در مواقعی از اهمیت زیادی برخوردار است که محیط نیمه شفاف باشد.
.5 مدلسازی تشکیل دوده
برای تشکیل دوده از مدل Moss-Brookes استفاده شده است. در این مدل ، معادلات انتقال برای و حل می شوند. که در آن کسر جرمی دوده، غلظت جرمی دوده - - kg/، غلظت رادیکالی بدون بعد می باشد.
-6هندسه و شرایط مرزی و روش حل
هندسهی مورد بررسی، همانند هندسهی تحقیق تجربی یانگ و همکاران [11] است.که شامل یک استوانهی سه بعدی است. نمای شماتیک هندسه شبیه سازی و ابعاد آن در شکل 1 نشان داده شده است.
قطر محفظه احتراق 155 میلی متر و طول آن 600 میلی متر است. سوخت kerosene توسط انژکتور ایر- بلست که در مرکز محفظه قرار دارد پاشیده می شود. شعاع مجرای ورودی سوخت 1/5 میلیمتر است. . دمای ورود سوخت 590 کلوین و دمای ورودی هوا 288 کلوین است. سرعت ورودی هوا 0/234 متر بر ثانیه و سرعت سوخت 22/28 متر بر ثانیه است.
شکل-1 نمای شماتیک محفظه احتراق استوانه ای
