بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق به بررسی پنج هندسه مختلف با عنوانهای بسته، باز، مقعر، محدب و سینوسی به عنوان شعله نگهدار در جریان واکنشگر به منظور ارزیابی هندسهها برای پایداری احتراق و کمینه کردن نسبت هم ارزی خاموشی، پرداخته میشود. 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 سه عدد رینولدز و سه دمای ورودی مختلف 293، 422 و 511 درجه کلوین استفاده میشود.
از مدل آشفتگی تنش-های رینولدز و مدل احتراق استهلاک گردابهای برای انجام شبیهسازیهای ناپایا استفاده میشود. در جریانهای واکنشگر، با مقایسه نسبت هم ارزی خاموشی در رینولدزها و دماهای مختلف مشاهده میشود که به ترتیب هندسههای باز، مقعر، سینوسی، بسته و محدب کمترین نسبت هم ارزی و بیشترین پایداری شعله را به دست میدهند؛ هر چند که نتایج برای هندسههای مختلف به هم نزدیک است. با در نظرگیری مقایسه هندسهها در جریان واکنشگر، کاربرد هندسههای باز و سینوسی به عنوان شعله نگهدار توصیه و کاربرد هندسههای محدب و بسته توصیه نمیشود.
-1 مقدمه
مسئله احتراق بهینه و پایداری احتراق، در بخشهای مختلف صنعت که با جریانهای واکنشگر در ارتباط هستند، حائز اهمیت است. بحرانهای مربوط به انرژی، آلودگی محیط زیست، مصرف اقتصادی سوختها و... دانشمندان و مهندسان را بر آن داشته است که همواره به دنبال راههای بهینهتر برای تولید و مصرف انرژی باشند. با توجه به اهمیت احتراق در زندگی روزانه جوامع صنعتی امروز، کنترل و کیفیت احتراق دارای تأثیر عمدهای بر موارد ذکر شده است .[1]
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 .[2]
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. بنابراین طراحی مناسب شعله نگهدار، از نظر پایداری احتراق در سرعتهای بالا و کسرهای اکسیژن پایین دارای اهمیت است .[3] 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 واکنشگر 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 جریان واکنشگر در رینولدزهای ورودی مختلف را مورد مداقه قرار دادند. همچنین برای جریانهای واکنشگر در شرایط نزدیک به خاموشی شعله، ارتباط بین عدد رینولدز ورودی و نسبت هم ارزی خاموشی را بررسی کردند .[4] ایشان تحقیقات مشابهی روی شعله نگهدار باز، مکعبی و استوانهای برای مطالعه روند دینامیکی خاموشی شعله انجام دادند .[5]
لیئوون2 و همکاران به بررسی تجربی و محاسباتی روند خاموشی شعله در شعله نگهدارهای استوانهای، مثلثی باز و مستطیلی پرداختند. در این تحقیقات، خاموشی شعله در هندسههای مختلف به عنوان یک روند از وقوع خاموشیهای موضعی تا خاموشی نهایی شعله گزارش شد .[6] بررسی مقیاس و دینامیک روند خاموشی شعله در شعلههای پایدار شده با شعله نگهدار، در تحقیقی توسط شنبهوجو3 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 واکنشگر 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 .[7]
حیدر4 و همکاران به طراحی یک پسسوز کوچک با شعله نگهدارهای مثلثی باز و تعیین توزیع بهینه آنها در یک کانال حلقوی پرداختند .[8] سانگ5 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 .[9]
لاندریگان1 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 .[10]
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 احتمال2 توسط استفان3 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 .[11]
در تحقیقی توسط قانی4 و همکاران، ناپایداریها و دینامیک احتراق در یک شعله پیش آمیخته با استفاده از مدلسازی به روش شبیهسازی گردابههای بزرگ5 مورد بررسی قرار گرفت. در این تحقیق قابلیتهای مدل شبیه-سازی گردابههای بزرگ برای به دست دادن نوسانات فرکانس بالا و پایین احتراق در محفظه احتراق نشان داده شد .[12] چنگ و فن6 به بررسی تجربی اشتعال و خاموشی شعله در یک شعله نگهدار تبخیر و مقایسه آن با سیستم پسسوز و محفظه احتراق رمجت پرداختند. در این تحقیق شعله نگهدارهای هلالی و حلقوی برای دستیابی به محدوده وسیعتری برای اشتعال و خاموشی شعله به صورت عددی بررسی شدند. در شبیهسازیهای انجام شده نشان داده شد که شعله نگهدار هلالی با ایجاد ناحیه دنباله بزرگتر توانایی بهتری در ایجاد ناحیه با دمای بالا و افزایش نرخ مصرف سوخت دارد .[13]
بربیون7 و همکاران به کاربرد مدل شبیهسازی عددی مستقیم8 برای بررسی تأثیر دمای شعله نگهدار روی پایداری شعله آرام متان روی یک استوانه پرداختند. ایشان استوانه در دو حالت سرد شونده و غیر سرد شونده به صورت تجربی و عددی را در جریان مورد بررسی قرار دادند و مطابقت قابل قبولی بین نتایج شبیهسازی و تجربی مشاهده کردند. بررسی مدل غیر سرد شونده نشان داده است که برای نزدیکی نتایج به نتایج تجربی نیاز ضروری به مدلسازی انتقال حرارت تابشی نیز میباشد .[14]
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. پیشبینی میشود که شعله نگهدار دارای لبههای سینوسی با اعمال مؤلفههای جانبی به میدان سرعت و ایجاد اغتشاش در جریان، به بالا بردن آشفتگی و پایداری احتراق کمک کند. برای رسیدن به این اهداف، اعتبارسنجی حل عددی با نتایج تجربی موجود در مرجع شماره [4] برای هندسه ساده انجام میشود. سپس از روش اعتبارسنجی شده، به شبیهسازی هندسه-
