بخشی از مقاله
خلاصه
در این پژوهش به بررسی شعله غیر پیش مخلوط جریان مخالف پرداختهشده است. از این شعله برای ساخت کتابخانه فلیملت موردنیاز مدل فلیملت آرام، بهمنظور شبیهسازی شعلههای مغشوش استفاده میشود. ساخت کتابخانه فلیملت از دو شیوه امکانپذیر است، یکی حل معادلات فلیملت در فضای کسرمخلوط و دیگری حل معادلات احتراقی در فضای فیزیکی است.
در پژوهش حاضر از هر دو شیوه استفادهشده است. برای این مهم از نرمافزارهای فلوئنت، کمکین و فلیممستر با جزئیات کامل شیمیایی استفاده و باهم مقایسه شده است. علاوه بر آن، در این پژوهش اثر پخش دیفرانسیلی موردبررسی قرارگرفته و با فرض عدد لوئیس واحد مقایسه شده است. برای اعتبارسنجی شبیهسازی، نتایج با دادههای آزمایشگاهی شعله جریان مخالف متان-هوا مقایسه شده است. نتایج مورد مقایسه شامل منحنیهای دما، کسرجرمی متان، اکسیژن و نیتروژن است. نتایج نشان میدهند که نرمافزار کمکین در پیشبینی صحیح بیشینه دما و کسرجرمی شعله توانایی بیشتری دارد. همچنین در نظر گرفتن اثر پخش دیفرانسیلی در نرمافزار کمکین حائز اهمیت است.
.1 مقدمه
احتراق سوختهای فسیلی همچنان بهعنوان مهمترین منبع تامین انرژی مطرح است و پژوهشهای بسیاری را در سراسر دنیا به خود اختصاص داده است. یکی از مشکلات احتراق سوختهای فسیلی، انتشار آلایندهها است، که برای حل این معضل نیاز به شناخت بیشتر و درنتیجه افزایش بازده احتراق وجود دارد. فرآیند احتراق دارای تعداد زیادی گونه و واکنش مقدماتی است، که این امر باعث پیچیدگی فرآیند احتراق شده است.
رژیم جریانهای احتراقی در اکثر کاربردهای صنعتی، مغشوش است و در این فرآیندها بین میدان جریان مغشوش و شیمی تعامل وجود دارد. در رژیم شعله غیر پیش مخلوط، سوخت و اکسیدکننده بهصورت مجزا وارد محفظه احتراق میشوند و فرآیندهای اختلاط و واکنشهای شیمیایی پشت سر هم انجام میشوند. این نوع شعلهها مزایایی همچون پایداری و ایمنی بیشتر نسبت به شعله پیش مخلوط دارد و همچنین در این نوع شعلهها خطر برگشت به عقب شعله نیز وجود ندارد.
روشها بسیاری برای مدلسازی احتراق غیر پیش مخلوط وجود دارد. مهمترین این مدلها عبارتاند از: مدل تعادل شیمیایی، مدل فلیملت آرام، مدل بستن لحظهای مشروط و مدل تابع توزیع احتمال مفروض، که در این میان مدل فلیملت به دلیل جدا کردن میدان جریان از شیمی واکنش، حجم محاسبات پایین و توانایی مناسب در پیشبینی گونههای اصلی، دما و آلایندهها، نسبت به بقیه مدلها از محبوبیت بالایی برخوردار است.
معادلات مدل فلیملت برای نخستین بار توسط پیترز بٌب برای شعلههای غیر پیش مخلوط استخراج شد. او برای در نظر گرفتن اثرات غیرتعادلی و توربولانس، کمیت نرخ استهلاک اسکالر را معرفی نمود. لنتینی و پیوری بٍب یک شعله مغشوش غیر پیش مخلوط را با سوخت کلرومتان بهصورت عددی و آزمایشگاهی موردبررسی قراردادند. آنها از دو کمیت کسرمخلوط و نرخ استهلاک اسکالر برای تولید کتابخانه فلیملت، بهصورت جدا از میدان جریان استفاده کردند. آنها مشاهده کردند که نتایج مدل فلیملت نسبت به مدل تعادل شیمیایی، توافق بهتری با نتایج آزمایشگاهی دارد. البته آنها دلیل اختلاف بین نتایج مدل فلیملت با نتایج آزمایشگاهی را در نادیده گرفتن اثرات جریان دوفازی، انتقال حرارت تابشی و دوده دانستند.
بای و همکاران بَب ساختار فلیملت آرام احتراق غیر پیش مخلوط برای سه سوخت متان، پروپان و هیدروژن با هوا را در نرخ استهلاک اسکالرهای پایین موردبررسی قراردادند. برای این منظور از شعله نفوذی جریان مخالف استفاده کردند. پیچ و پیترز بُب یک فرمولبندی فلیملت برای احتراق غیر پیش مخلوط، برای در نظر گرفتن اثرات پخش دیفرانسیلی ارائه کردند. در این فرمولبندی تعریف کسرمخلوط تغییر داده شد به کمیتی بقایی که از حل معادله انتقال با شرط مرزی مناسب به دست میآید. آنها به این نتیجه رسیدند که استفاده از عدد لوئیس ثابت برای گونهها نتایج بهتری نسبت به فرض لوئیس واحد دارد.
با توجه به پژوهشهای گذشته، مدل فلیملت بهعنوان مدلی کارآمد در شبیهسازی و دارای حجم محاسباتی پایین مطرح است. مدل فلیملت برای شبیهسازی نیازمند کتابخانه فلیملت است، که معمولا آن را بهصورت پیشپردازش میسازند. این کتابخانه را میتوان هم در فضای فیزیکی و هم در فضای کسرمخلوط تشکیل داد. در این پژوهش به بررسی نحوه تشکیل کتابخانه پرداخته خواهد شد و معادلات حاکم هم در فضای فیزیکی و هم در فضای کسرمخلوط حلشده و باهم مقایسه میشوند. در این پژوهش همچنین اثر پخش دیفرانسیلی نیز موردبررسی قرار میگیرد.
.2 معادلات حاکم
شار
تابش Yi کسرجرمی گونه i ، بهطوریکه برای همه گونهها معادله بقای گونهها باید حل شود. ji بردار شار پخش مولکولی گونه i ، T دما و Ru ثابت جهانی گازها میباشد. این معادلات حاکم بر جریانهای واکنشی است و حجم محاسباتی آنها بسیار زیاد است. برای این منظور پیترز بٌب بهمنظور سادهسازی این معادلات را به فضای کسرمخلوط منتقل میکند. برای این مهم دو فرض اساسی میکند:
- ساختار ناحیه واکنش آرام باقی میماند.
- پخش عمدتا در جهت عمود بر سطح منحنی کسرمخلوط استوکیومتری اتفاق میافتد.
با این فرضیات معادلات فلیملت بهصورت روابط - 6 - و - 7 - بهدست میآید.
در این معادلات qR ، cpi و cp به ترتیب نرخ انتقال حرارت تابشی، ظرفیت گرمایی گونه i ام در فشار ثابت و ظرفیت گرمایی مخلوط هستند. hi انتالپی گونه i ، Z کسرمخلوط و نرخ استهلاک اسکالر است
ضریب رسانایی گرمایی و Di ضریب پخش گونه i است. در اکثر پژوهشها از فرض عدد لوئیس واحد استفاده میشود و این امر به معنای در نظر نگرفتن اثر پخش دیفرانسیلی است
.3 شعله جریان مخالف
از شعله جریان مخالف معمولا برای مطالعه ساختار شعله، شیمی شعله و تعامل بین جریان و شیمی استفاده میشود. همچنین این شعله یکی از هندسههایی است که با حل معادلات فلیملت در دامنه آن، کتابخانه فلیملت را تشکیل میدهند. برای همین منظور در اینجا به بررسی معیارهای مختلف در حل معادلات فلیملت و ساخت کتابخانه فلیملت، بررسیشده و با یک شعله با دادههای آزمایشگاهی اعتبار سنجی میشود.
شعله استفادهشده جهت اعتبارسنجی، شعله متان-هوا است که توسط پیوری و همکاران بهصورت آزمایشگاهی و عددی موردبررسی قرار گرفت. شماتیکی از این شعله در شکل 1 دیده میشود. در این مشعل سوخت و اکسیدکننده از دو طرف مجزا وارد مشعل میشوند و از طریق نازل وارد محفظه احتراق میشوند. در محفظه احتراق سوخت و اکسیدکننده باهم برخورد میکنند و یک شعله نازک را تشکیل میدهند؛ معمولا فاصله این دو نازل از مرتبه سانتیمتر است. خصوصیات شعله شامل دما، کسرجرمی گونهها و سرعت خروج از نازل برای سوخت و اکسیدکننده در جدول 1 قابل مشاهده است. فاصله بین دو نازل در این مشعل 1,4876 سانتیمتر و فشار محیط یک اتمسفر است. برای شبیهسازی این شعله از نرم افزارهای کمکین، فلوئنت و فلیم مستر استفاده شده است.
