بخشی از مقاله
چکیده
خود اشتعالی یکی از روشهای پایدارسازی بوده که در آن جریان اکسیدکننده در دمای بالا به سیستم احتراقی وارد و با سوخت سرد مخلوط شده و درنهایت واکنش میدهد. وجود عمل اختلاط بین اکسیدکننده و فواره سوخت و همچنین وقوع خود اشتعالی، در این وضعیت، سبب ایجاد شعلههای برخاسته میشود. چالش اصلی در این نوع شعله پیشبینی فاصله اشتعال و ارتفاع برخاستگی بوده که از دیدگاه عددی، پیش بینی آن از طریق مدلسازی احتراق، به دلیل ارتباط شدید اشتعال با خصوصیات سینتیکی، موضوعی بسیار دشوار است .
در این مطالعه به بررسی مدل مرجع کابرا پرداخته شدهاست. مدل آشفتگی مورد استفاده مدل کااپسیلون بهبود یافته بوده و مکانیزم شیمیایی احتراق هیدروژن استفادهشده شامل 10 گونه و 21 واکنش بودهاست. مدل احتراقی مدل مفهومی اتلاف ادی انتخاب شدهاست. نتایج شبیهسازی مطابقت مناسبی با میدان دمای نتایج آزمایشگاهی داشته بهطوری که حداکثر خطای محاسبه شده بین نتایج آزمایشگاهی و عددی برای میدان دما 5/8 درصد بودهاست.
ارتفاع برخاستگی شعله با افزایش دمای جریان همسو کاهش مییابد. نتایج ارتفاع برخاستگی شعله برای دمای 1030 و 1045 کلوین مطالبقت کامل با نتایج حاصل از شبیه سازی با گردابههای بزرگ داشته و برای دمای 1060 کلوین مقدار ارتفاع برخاستگی 2/3 برابر قطر نازل، کمتر از نتایج شبیه-سازی گردابههای بزرگ پیشبینی شدهاست.
مقدمه
احتراق اولین فناوری انسان، به عنوان یکی از پیچیدهترین پدیدههای طبیعت شناخته شده که علیرغم ارتباط دیرینه بشر با آن، همچنان زمینههای ناشناخته بسیاری دارد. مشعل های غیر پیشآمیخته، به دلیل طراحی ساده و عملکرد ایمن، به طور گسترده در سیستمهای صنعتی استفاده میشوند. نیاز به توان بالای حرارتی در سیستمهای صنعتی مستلزم به کارگیری دبی بالای جریان در مشعلهای غیر پیشآمیخته است. افزایش دبی جریان فراتر از حد معینی معمولاً منجر به خاموشی شعله میشود.
از این رو، در سیستمهای احتراقی با توان حرارتی بالا، به منظور جلوگیری از خاموشی شعله، روش های پایدارسازی مورد استفاده قرار گرفته و به عنوان یک معیار اصلی در طراحی درنظر گرفته می-شوند.[1] انتخاب این روشها وابسته به مقدار دبی جریان ورودی و یا به صورت معادل وابسته به توان حرارتی مشعل است. خود اشتعالی یکی از روشهای پایدارسازی بوده که در آن جریان اکسیدکننده در دمای بالا به سیستم احتراقی وارد شده و با سوخت سرد مخلوط و درنهایت واکنش میدهد.
وجود عمل اختلاط بین اکسیدکننده و فواره - Jet - سوخت و همچنین وقوع خود اشتعالی، در این وضعیت، سبب ایجاد شعلههای برخاسته میشود. چالش اصلی در این نوع شعله پیشبینی فاصله اشتعال بوده و از دیدگاه عددی، پیشبینی آن از طریق مدلسازی احتراق، به دلیل ارتباط شدید احتراق با خصوصیات سنیتیکی، موضوعی بسیار دشوار است.
مدلسازی جریانهای فوق یکی از موضوعات چالش برانگیز در بحث احتراق بوده و همین امر سبب شده تاکنون تئوریهای مختلفی در ارتباط با سازوکارهای شعلههای برخاسته مطرح شود. مقالات متعددی درخصوص مطالعه سازوکارهای پایدارسازی در شعلههای برخاسته فواره نفوذی و همچنین در زمینه خود اشتعالی مطرح شده است.[3-1]
ضمن اینکه روابط تجربی مختلفی برای پیشبینی ارتفاع برخاستگی ارائه شده که توسعه این روابط صرفاً بر مبنای پارامترهای کلی در سیستمهای احتراقی است. تاکنون دیدگاههای مدلسازی مختلفی مانند روش ممان شرطی [4] - CMC - ، فلیملت[5]، مفهوم اتلاف گردابه - 7] - EDC،[6 و تابع دانسیته احتمال [8] - PDF - برای پیش بینی رفتار شعلههای نفوذی برخاسته آشفته استفاده شدهاست. در کار حاضر، یک شعله برخاسته فواره نفوذی در جریان همسوی گرم با استفاده از دادههای تجربی کابرا و همکارانشان [9] بررسی میشود.
به دلیل آنکه در فرایند خوداشتعالی پدیده اشتعال نقش مهمی را در تعیین ارتفاع برخاستگی شعله ایفا میکند، استفاده از دیدگاههای پیشرفته با توانایی پیشبینی اشتعال و خاموشی موضعی امری ضروری است. براساس شبیهسازیهای انجام شده، دو دیدگاه مفهوم اتلاف گردابه [7] و تابع دانسیته احتمال [8] نتایج مناسبی را برای رفتار و محل برخاستگی این شعله در مقایسه با دادههای تجربی ارائه می-کنند.
مهرولد و همکارانش [7] نشان دادند، در مدل EDC انتخاب مدل آشفتگی در تعیین محلی برخاستگی و پیشبینی میدانهای دما و اجزا بسیار مهم است. مصری و همکارانش [8] مطالعه وسیعی را با استفاده از دیدگاه PDF توام با کمیات اسکالر و مدل آشفتگی k ε استاندارد بر روی شعله مذکور و محل برخاستگی آن انجام دادند و یکی از دلایل انحراف مقادیر عددی از دادههای تجربی را ناشی از مدل آشفتگی ε k استاندارد عنوان کردند.
شایان ذکر است مدل آشفتگی ε k استاندارد در فوارههای مدور، مقادیر نرخ گسترش فواره را بیشتر از مقدار واقعی پیشبینی کرده و این مشکل با تغییر C1 از 1/44 به 1/6 در معادله نرخ اتلاف برطرف می شود. مصری و همکارانش [8] نشان دادند اصلاح ضرایب مدل k ε استاندارد بهبودی در نتایج میدان دما و اجزا در این شعله ایجاد نکرده و دلیل این امر تغییرات شدید دانسیته در جریان احتراقی است که مدل آشفتگی k ε عاری از در نظر گرفتن آن است. سنتیک شیمیایی مورد استفاده در این مطالعه از سازوکار یتر [10] استفاده شده که دربرگیرنده 21 واکنش است. در ادامه به بررسی معادلات حاکم جریان واکنشی پرداخته خواهدشد.
مدل احتراقی
از مهمترین عوامل موثر در شبیهسازی دقیق جریانهای واکنشی، مدل احتراق است. مدلسازی واکنش شیمیایی یکی از پیچیدهترین قسمتهای مدلسازی احتراق است، زیرا، علاوه بر تعیین مقدار گونهها و محصولات احتراق، بایستی آهنگ آزاد شدن انرژی حاصل از ترکیب سوخت و اکسیدکننده نیز تعیینشود. آهنگ آزاد شدن انرژی در اثر پیشرفت واکنشهای احتراقی بر مقدار و توزیع دما در نقاط مختلف موثر بوده و دمای هر نقطه بر رفتار جریان از جمله مؤلفههای سرعت، فشار و مشخصات سیال در آن نقطه تاثیر میگذارد.
سرعت پیشرفت واکنشهای شیمیایی و آزاد شدن گرما به سرعت ترکیب سوخت و اکسیدکننده بستگی دارد. آهنگ ترکیب سوخت و اکسیدکننده تابع عوامل مختلف از جمله اختلاط سوخت و هوا، غلظت واکنش دهندهها، دمای محفظه احتراق و غیره است. بنابراین، مدلی مناسب است که اثر تمام این عوامل را منظور کند. وقتی گونهها به صورت گازی می باشند مدل Species Transport یک معادله انتقال را برای هر گونه به صورت معادله شماره 3 حل میشود جمله جابجایی در معادله - 2 - ایجاد شدهاست. مسئله با مشکل بسته بودن روبهرو است.
به عبارت دیگر، تعداد معادلات و مجهولات حاکم بر جریان برابر نیست و برای برطرف کردن این مشکل، جمله مورد نظر مدل خواهد-شد. برای این کار، از مدلهای رایجی چون k ε یا k ω Y i نسبت جرمی گونه iام، λ نسبت ظرفیت گرمایی ویژه، c p ,i ظرفیت گرمایی فشار ثابت گونه iام، Le عدد لوئیس، h آنتالپی، T دما، ω& نرخ تولید جزء i توسط واکنش شیمیایی است که به عنوان منبع درنظر گرفته می شود. در این مطالعه از مکانیزم یتر [10] برای هیدروژن استفاده میشود. به طور کلی برای مدل سازی احتراق، در مدل اتلاف ادی - Eddy Dissipation - آشفتگی کنترل کننده نرخ واکنش میباشد، درحالی که در مدل نرخ محدود - Finite Rate - نرخ واکنش به وسیله رابطه آرنیوس - Arrhenius - محاسبه و تأثیر آشفتگی در تبدیل گونه ها نادیده گرفته می شود.
در مدل اتلاف ادی / نرخ محدود - Eddy Dissipation Finite Rate - نرخ واکنش از تلفیق دو روش ذکر شده و در نظر گرفتن کمترین نرخ واکنش به دست آمده از دو مدل به عنوان نرخ واکنش در نظر گرفته میشود. حال آنکه مدل اتلاف ادی / نرخ محدود فقط میتواند برای یک یا دو واکنش در مکانیزم شیمیایی در نظر گرفته شده، به خوبی عملکند.
مدل مفهومی اتلاف ادی Eddy Dissipation Concept - EDC - گسترش یافته مدل اتلاف ادی - ED - میباشد که اثرات واکنش های شیمیایی را در آشفتگی در نظر میگیرد. مدل حل احتراق برای مسئله حاضر مدل مفهومی اتلاف ادی است. از آنجایی که خواص مخلوط مانند گرمای ویژه در فشار ثابت، پخش مولکولی و خواص دیگر وابستگی شدیدی به نوع ترکیب مخلوط، دما و فشار دارند، گرمای ویژه مخلوط از طریق قانون مخلوط، چگالی مخلوط با استفاده از گاز ایدهال و ویسکوزیته و رسانایی حرارتی از روش میانگین وزنی قانون مخلوط محاسبه می شوند.
حلگر محاسباتی
شبیه سازی جریان در بسته نرمافزاری انسیس فلوئنت 17/2با معیار همگرایی 10 4 برای معادله پیوستگی و 10 5برای معادله انرژی، تکانه، اجزاء، معادلات مدل احتراقی انجام شدهاست. معادلات بصورت مرتبه دو جداسازی شدهاند. الگوریتم سیمپل عبارت فشار و سرعت را به یکدیگر متصل میکند.
هندسه و شبکه بندی
هندسه و طرحواره مشعل مورد نظر در شکل 1 نشان داده شده است. فواره سوخت دارای قطر داخلی 4/57 میلیمتر و ضخامت دیواره 0/89 میلیمتر بوده و در مرکز یک دیسک سوراخدار با قطر 210 قرار دارد. این دیسک دارای 2200 سوراخ به قطر 1/58 میلیمتر است که با استفاده از آن شعلههای پیشآمیخته بر روی دیسک ایجاد شده و انرژی لازم برای پایدارسازی شعله با استفاده از سازوکار خوداشتعالی از طریق شعلههای پیش آمیخته فراهم میشود. دما و ترکیب این جریان همسو در جدول 1 نشان داده شده است.
فاصله سطح خروجی فواره سوخت نسبت به دیسک سوراخدار 70 میلیمتر بوده و بدین ترتیب می توان ترکیب مخلوط جریان همسو را به صورت یکنواخت درنظر گرفت. کل چیدمان آزمایش در جریان هوای ساکن قرار داشته و هوای محیط نمیتواند تا ناحیه محوری Z/D برابر با 26 بر روی شعله تاثیر داشته باشد. اطلاعات تجربی مربوط به مشعل فوق در مرجع [9] موجود است.
