بخشی از مقاله
چکیده
در مقاله حاضر،کاهش مکانیزم سوخت JP10 که شامل 693 گونه و 15518 واکنش میباشد، با دو روش گراف جهت دار مستقیم و گراف جهت-دار با خطای انتشار در شرایط مختلف از نظر دما، فشار و نسبت همارزی با استفاده از نرمافزار Ansys Chemkin مورد بررسی قرار گرفته است. با کاهش دما، تغییرات فشار تاثیر کمتری بر کسرمولی گونهها بین مکانیزم اصلی و کاهش یافته دارد.
در حالت نسبت هم ارزی 1، مشاهده میشود تغییرات کسر مولی دو گونهی مونواکسیدکربن و دیاکسیدکربن بین مکانیزم اصلی و کاهش یافته بسیار بر هم منطبق است. پس از بررسی کاهش مکانیزم، تعداد واکنشها و گونههای موجود در سوخت JP10 برای نسبت همارزی 0/5 به 2863 واکنش و 173 گونه و برای نسبت همارزی یک به 9583 واکنش و 343 گونه کاهش یافته است، همچنین زمان اشتعال در دمای 1200 کلوین برای مکانیزم اصلی 0/098 ثانیه بوده و برای مکانیزم کاهش یافته 0/2859 ثانیه میباشد ولی برای دمای 1350 کلوین زمان اشتعال برای مکانیزمهای اصلی و کاهش یافته به ترتیب برابر با 0/75 و 1 میلیثانیه میباشند که از مهمترین نتایج این مدلسازی است.
مقدمه
سوخت JP10 یکی از سوختهای پریودیک - حلقوی - با چگالی و انرژی بالا میباشد که در کاربردهای پدافندی، محفظه احتراق حجم محدود از قبیل رامجتهای مافوق صوت، موتورهای انفجار پالسی1 و کاربردهای پرواز با سرعت بالا مورد استفاده قرار می گیرد. فرمول شیمیایی این سوخت C10H16 میباشد که بهوسیله هیدروژناسیون، دیسیکلوپنتادین تولید می-شود. برخلاف بیشتر سوختها JP10 مخلوط نیست و ازاینرو به سهولت میتوان بصورت تئوری مدل نمود.
فراسولداتی و همکاران [2]، با جانشینکردن انواع مکانیزم کاهشی سوخت دیزل به همراه خطاهای متفاوت در یک موتور در حالت حجم ثابت به مقایسه عملکرد مکانیزمهای اسکلتی پرداختند. آنها با بررسی پارامترهای مختلفی از جمله تغییرات کسرمولی برخی گونهها و آنالیز سرعت شعله آرام و زمان احتراق بهترین مدل مکانیزم اسکلتی را که بتوان جایگزین مکانیزم کامل کرد را انتخاب کردند. این انتخاب براساس مقایسه با مدل آزمایشی موجود صورت گرفت و در نهایت دریافتند مدل مکانیزم اسکلتی پلیمی2 نزدیکترین مدل به واقعیت است.
جوآن پرینس و همکاران [3]، به بررسی مکانیزم کاهشی برای سوخت بوتان- نرمال با تعداد 235 واکنش پرداختند، سپس پارامترهایی از جمله سرعت آرام سوزش و زمان اشتعال بر حسب دما را در طیف وسیعی از نسبت هم ارزی و فشار مقایسه نمودند.
فنگ و همکاران در [4]، با روش ترکیب مطالعه مکانیزم کاهشی سوخت بوتان- نرمال که جایگزین بسیار مناسبی برای بنزین است، را انجام دادند. روشهای آنها عبارتند از روش گراف جهتدار با خطای انتشار و تجزیه و تحلیل حساسیت و تجزیه و تحلیل تولید انتروپی است که برای حذف گونه-های بیاهمیت استفاده کردند و درنهایت واکنش 1884 تایی و 326 گونه را به مکانیزم 285 واکنش با 75 گونه کاهش دادند و نتایج را با استفاده از یک مدل موتور در نرمافزار کمکین با مکانیزم اصلی مقایسه نمودند.
سرودی و غفوریان در [5]، به مطالعه روش الگوریتمی سادهسازی مکانیزم-های شیمیایی توسعهیافته که در آن اجزای زائد با استفاده از آنالیز جریان واکنش و حذف واکنشهای زائد، به کمک آنالیز حساسیت شناسایی از مکانیزم کامل پرداختند. در نتیجه مکانیزم کوچکتری موسوم به مکانیزم اسکلتی برای متان بدست آوردند، سپس در یک راکتور کاملا آمیخته مورد آزمون قرار دادند. درصد خطای مدل مقایسهای بین مکانیزم کامل و مکانیزم اسکلتی را حدود 5 درصد گزارش کردند.
وانگ و همکاران در [6]، از کاهش مکانیزم ترکیبی بوتانول و بیودیزل برای موتور دوگانه سوز استفاده کردند، آنها مکانیزم کاهشی ان- بوتان را با یک مکانیزم کاهشی بیودیزل ادغام کردند و به یک مکانیزم با 765 واکنش و 171 گونه رسیدند. نتایج آنها نشان میدهد که فشار پیش بینی شده و پروفیل نرخ انتقال حرارت و همچنین، HC، CO، NOx و انتشار دوده در شرایط مختلف به خوبی با دادههای تجربی منطبق هستند. همچنین آنها نشان دادند که در طول احتراق رادیکال های OH در دماهای پایین توسط بیودیزل تولید و توسط بوتان- نرمال مصرف میشود.
پورقاسمی و همکاران در [7]، شبیهسازی یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن3 با استفاده از یک مکانیزم کاهشی گاز طبیعی را انجام دادند. نتایج مدل را با مکانیزم کاهشی مقایسه کردند و هفت شرایط متفاوت را بررسی نمودند. نتایج آنها نشان داد که این کاهش مکانیزم عملکرد قابل اعتمادی برای پیشبینی احتراق، تولید گازهای گلخانهای و بهبود زمان اشتعال را به همراه داشته است و مکانیزم به 26 گونه و 63 واکنش کاهش یافته است.
با توجه به بررسیهای انجام شده و اهمیت کاهش مکانیزم، در مقاله حاضر مکانیزم اصلی JP10 شامل 693 گونه و 15518 واکنش با دو روش گراف جهتدار مستقیم - DRG - و گراف جهتدار با خطای انتشار - DRGEP - کاهش داده شده است.
معرفی روش کاهشی
شناسایی و حذف اجزا شیمیایی بیاهمیت در مقایسه با شناسایی و حذف واکنشهای بنیادین بیاهمیت، از دشواری بیشتری برخوردار میباشد. زیرا واکنشهای بنیادین، سهم ناچیزی در نرخ تولید هر جز شیمیایی ایفا می-کنند. درحالی که به علت وجود کوپلینگ بین اجزا شیمیایی، شناسایی و حذف آنها دشوارتر میباشد. درصورتیکه نیاز به حفظ یک واکنش شیمیایی در مکانیزم اسکلتی باشد، باید آن دسته از اجزا شیمیایی که به طور قوی با آن کوپل میشوند، در مکانیزم حفظ شوند؟این دو تحلیل حساسیت در مراحل زیر انجام میشوند:
- 1 پس از DRG / DRGEP کوچکترین مکانیزم اسکلتی را که با معیارهای خطا مطابقت دارد تولید میشود.
- 2 هر گونه کماهمیت به صورت جداگانه از کوچکترین مکانیزم اسکلتی قابل قبول تولید شده توسط DRG / DRGEP حذف میشود.
- 3 با توجه به خطای القا شده در مکانیزم، گونههای کم اهمیت از بیشترین خطا به کمترین خطا حذف خواهند شد.
- 4 حذف گونههای کماهمیت از کوچکترین مکانیزم اسکلتی تولید شده توسط DRG / DRGEP به ترتیب مرتب شده در مرحله 3 انجام میشود و تا زمانی که این میزان خطا از مقدار وارد شده کمتر باشد این روند ادامه مییابد در غیراینصورت مکانیزم اسکلتی متوقف میگردد.
در روش DRG، به منظور کمی کردن تاثیر مستقیم یک جزء شیمیایی بر روی دیگری، سهم نرمالیز شده - خطای فوری“ جزء شیمیایی Bبر روی نرخ تولید جزء شیمیاییA، را میتوان به صورت زیر تعریف نمودْ
در صورتیکه مقدار نرمالیز شده به میزان کافی بزرگ باشد، حذف جزء شیمیایی Bاز مکانیزم شیمیایی سبب ایجاد مقدار خطای زیاد در نرخ تولید جزء شیمیایی Aمیگردد. متعاقبا اگر Aنگه داشته شود، B نیز باید در مکانیزم حفظ شود. در چنین مواردی اصطلاحا بیان میشود که جزء شیمیایی A به طور قوی وابسته به جزء شیمیایی میباشد
به منظور کمی کردن میزان وابستگی A و Bیک متغیر εبا مقداری کوچک تعریف میشود. میزان وابستگی را میتوان ناچیز در نظر گرفت و در نتیجه هیچ وجهی بین Aو Bوجود ندارد
روشDRGEP، در قاعده کلی با روش DRG در شناسایی جهت اتصال گونهها دراستفاده از خطای فوری مشترک است. در این روش زمانیکه گونه A در مکانیزم نگهداشته میشود، همهی دیگر گونههایی که از طریق گونه A به طریق مستقیم و غیرمستقیم قابل دسترس هستند.
نتایج
شرایط کلی مطالعه انجام شده برای دو نسبت همارزی 0/5 و 1 در دما و فشار های متفاوت مشاهده میشود. در بررسی کاهش مکانیزم تعداد واکنشها و گونههای موجود در سوخت JP10 برای نسبت همارزی 0/5 به 2863 واکنش و 173 گونه، برای نسبت همارزی 1 به 9583 واکنش و 343 گونه کاهش یافته است.
جدول - 1 - ، شرایط حاکم بر راکتور حجمثابت استفاده شده در این مطالعه و مقدار نهایی تعداد واکنشها و گونهها در مکانیزم اسکلتی را نشان میدهد.
جدول -1 شرایط حاکم بر راکتور و مقدار نهایی تعداد مکانیزم و گونهها
برای اعتبار سنجی مدل حاضر، تغییرات دما برحسب زمان در شرایط دمای 1200 کلوین و فشار 55 بار برای دو نسبت همارزی برابر 0/5 و 1، بررسی شده که در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشاهده میشود این تغییرات در مدلسازی با مکانیزم اصلی نسبت به مکانیزم کاهش یافته در شرایط یکسان تطابق داشته است و برای نسبت همارزی برابر با 0/5 این تطابق کمتر است بطوری که بیشینه درصد خطای اعتبار سنجی برابر با 3/8 درصد مشاهده میشود.
شکل-1 نمودار اعتبار سنجی برای دمای 1200 کلوین و فشار 55 بارکاهش یافته تحت شرایط 1200 کلوین و فشار 10 بار، نشان میدهد. مطابق با این شکل گونه CO نقش گونه میانی داشته و ابتدا تولید و سپس مصرف میشود علاوه بر این تولید گونه CO2 نسبت به تولید گونه CO بیشتر میباشد. همچنین تمام CO تولید شده، بطور کامل مصرف خواهد شد.
شکل 2 تغییرات کسر مولی دو گونه CO و CO2 را برای دو مکانیزم اصلی و مشاهده میشود.
بیشترین در صد خطای موجود بین مکانیزم اصلی و کاهش یافته برای گونه CO و CO2 بترتیب برابر است با 30 و 13/8 درصد است.
شکل -2 تغییرات کسر مولی گونه های CO وCO2 در فشار 10بار و دمای 1200 کلوین
شکل 3، تغییرات کسر مولی گونه های CO و CO2 در فشار 55 بار و دمای 1200 کلوین را نشان میدهد. بر اساس شکل 3 زمان مصرف گونه CO در فشار 55 بار بیشتر میشود بطوری که در فشار 55 بار طی زمان 1/5 میلی ثانیه مصرف شده، این در حالی است که در شکل 2 برای فشار 10 بار است زمان مصرف این گونه 0/8 میلی ثانیه بود.
در شکل 4، نمودار تغییرات کسرمولی گونه های CO و CO2 مشابه حالت قبل بوده ولی با این تفاوت که در فشار 55 بار میزان تولید CO2 حدود 0/018 است به طوریکه در فشار 100 بار کسرمولی تولید CO2 برابر با 0/016 برای مکانیزم کاهشی و 0/014 برای مکانیزم اصلی میباشد. این تفاوت برای گونه CO نیز دیده میشود، پس با افزایش فشار در یک دمای ثابت و نسبت همارزی مشخص کسرمولی این دو گونه کاهش مییابد.
در شکل 5 تغییرات کسرمولی CO در فشار 55 بار و تحت دماهای 1350 و1500 کلوین برای نسبت هم ارزی 0/5 دیده میشود. مطابق با این شکل تغییرات کسرمولی CO بین مکانیزم اصلی و کاهش یافته با افزایش دما کمتر میشود بهطوریکه بیشترین اختلاف این مقادیر در دمای 1350 کلوین و زمان 0/0001 ثانیه میباشد. همانطور که مشاهده میشود، تولید و مصرف CO در دمای 1500 کلوین نسبت به دمای 1350 کلوین بیشتر است و همچنین در زمان زودتری تولید این گونه اتفاق میافتد.
شکل 6، تغییرات کسرمولی CO2 نسبت به زمان را نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود میزان تغییرات کسرمولی CO2 در زمان بین 0 تا 0/00005 ثانیه برای دمای 1500 کلوین و در زمانهای بیشتر از 0/00005 برای دمای 1350 کلوین بین مکانیزم اصلی و کاهش یافته
شکل -3 تغییرات کسر مولی گونه های CO وCO2 در فشار 55 بار و دمای 1200 کلوین
شکل -4 تغییرات کسر مولی گونه های CO وCO2 در فشار 100 بار و دمای 1200 کلوین
شکل -5 تغییرات کسر مولی مونواکسیدکربن با زمان در فشار 55 بار
