بخشی از مقاله
چکیده
احتراق سوخت مایع در محیط متخلخل مزایایی از جمله افزایش قابلیت تبخیر قطرات مایع، کاهش آلایندگی و پایداری احتراق با مخلوط رقیق دارد. این مقاله به بررسی عددی پاشش سوخت مایع، تبخیر و احتراق درون یک محفظه حجم ثابت محیط متخلخل می پردازد. شبیه سازی سه بعدی با استفاده از کد اصلاح شده KIVA-3V انجام شده است. پاشش مستقیم دیزل درون محفظه احتراق - با محیط متخلخل و بدون آن - انجام شده است.
با در نظر گرفتن دما و فشار بالا، تبخیر سریع دیزل و احتراق خود بخود آن اتقاق می افتد. نتایج عددی برای شرایط مشخص با نتایج آزمایشگاهی مقالات مقایسه شده است. کانتورهای دیزل تبخیر شده، دمای سیال در محیط متخلخل در یک سطح مقطع نشان داده شده است.
نتایج سوخت تبخیر شده، دمای و فشار سیال در محفظه حجم ثابت با و بدون محیط متخلخل با هم مقایسه شده است. همچنین، نمودارهای دیزل تبخیر شده، مونوکسید کربن، مونوکسید نیتروژن، دوده در محیط متخلخل برای چهار مقدار جرم سوخت با هم مقایسه شده است. نتایج کاهش قابل توجه در ماکزیمم فشار و دما، مونوکسید کربن، مونوکسید نیترون و تشکیل دوده در محفظه محیط متخلخل، در مقایسه با محفظه آزاد را نشان می دهد.
-1 مقدمه
پایدار شعله در محیط متخلخل با مخلوطهای رقیق و غنی، کاهش قابل توجه در تولید آلاینده ها و افزایش بازده احتراق ثابت شده است. در کارهای تحقیقاتی صورت گرفته مقالات بسیاری در مورد احتراق سوختهای گازی در محیط متخلخل منتشر شده است، اما محققان کمی قابلیت محیط متخلخل برای تبخیر سوخت مایع و اثر آن بر روی فرآیند احتراق، بررسی کرده اند.
محیط متخلخل شاخصهای قابل توجهی برای کاربرد در احتراق وجود دارد: مساحت ویژه بالا، خواص انتقال حرارت جابجایی بالا، ظرفیت حرارتی، مقاومت حرارتی و مکانیکی و خاصیت الکتریکی. فرآیندهای زیر در محیط متخلخل اتفاق می افتد : تزریق سوخت در محیط متخلخل، تبخیر سوخت، تشکیل مخلوط و احتراق خود بخود سوخت. در زمینه بکارگیری سوخت مایع در محیط متخلخل کارهایی توسط محققان انجام شده است.
کاپلان [1] احتراق سوخت مایع هپتان درون یک محفظه احتراق استوانه ای شکل محیط متخلخل را مطالعه کرد. اثر پارامترهای مختلف مانند نسبت تعادلی و حرارت ورودی روی احتراق را بررسی کرد. مارتیننکو [2] فرمول بندی مدلی یک بعدی برای تبخیر و احتراق قطرات روغن در محیط متخلخل را ارائه کرد. آنها در مورد رفتار ذرات مایع داخل محیط متخلخل بحث کردند.
جاگای 3] و [4 افزایش تبخیر و احتراق در محیط متخلخل با تزریق نفت سفید را بررسی کردند. آنها اثر نسبت تعادلی، ضخامت تشعشعی محیط متخلخل و شعله متلاطم را روی شاخصه های احتراق بررسی کردند. سانکارا [5] مطالعه آزمایشگاهی روی برخورد جت و تبخیر نفت سفید داخل محیط متخلخل انجام دادند. آنها اثر دبی سوخت روی غلظت سوخت تبخیر شده را بررسی کردند.
کایال [6] مدل یک بعدی جهت تبخیر قطره در محیط متخلخل ارائه کردند و با در نظر گرفتن خواص تشعشعی و نسبت تعادلی، قطر بهینه قطرات برای تبخیر کامل را بررسی کردند. وکلاس [7] اثر برخورد جت سوخت دیزل روی محیط متخلخل با درصد تخلخل زیاد را بررسی کردند. نتایج کار آنها برخورد قطرات و نفوذ سوخت مایع در محیط متخلخل را نشان داد.
کمال [8] اثر پاشش سوخت مایع با زاویه های مختلف برای پاشش، مقدار هوا، مخلوط شدن آن با ایجاد چرخش هوا را روی آلاینده های CO و NO بررسی کردند. ویجاکانت [9] احتراق سوخت مایع درون فوم محیط متخلخل با روکش سیلیکم کارباید را بررسی کردند. آنها از دو نوع انژکتور خاص که پاشش هوای کمکی داشت، استفاده کردند و فاصله بین انژکتور و محیط متخلخل را تغییر دادند و CO و NO را اندازه گیری کردند. گلاهالی [10] مطالعه عددی و آزمایشگاهی تبخیر سوخت تزریق شده مایع در فوم سیلیکن کارباید را انجام دادند. اثر نسبت تعادلی روی غلظت بخار را مورد بررسی قرار دادند.
دیکسون [11] تبدیل هپتان مایع به هیدروژن را از طریق سنتز در محفظه واکنشگر محیط متخلخل که بستری از آلومین بود، را بررسی کردند. نتایج آنها نشان داد که شرایط برای تبدیل شدن به هیدروژن، نسبت تعادلی و سرعت ورودی به عنوان پارامتر موثر می باشد.
وکلاس [12] نفوذ سوخت تزریق شده مایع را بررسی کردند. برای این هدف آنها صفحه ای را آماده کردند و ماتریسی از استوانه ها روی آن قرار دادند. موجیبو [13] تحقیق کاملی در مورد روش مدلسازی احتراق در محیط متخلخل را انجام دادند.
پاستور [14] شعله سوخت دیزل و هپتان نرمال را در محیط متخلخل دو لایه ای بررسی کردند. آنها جز مولی H2 و CO و CO2 را در گازهای خروجی بررسی کردند. ماتنمونت [15] پخش موج احتراقی را بروش عددی و آزمایشگاهی با سوخت تریدکان بررسی کردند.
محمدی [16] تزریق سوخت مایع در محیط متخلخل داغ را را به منظور مطالعه تشکیل مخلوط و احتراق بررسی کردند. آنها اثر نیروی درگ و انتقال حرارت قطرات مایع را بر اثر برخورد به محیط متخلخل را در نظر نگرفتند.
در این مقاله شبیه سازی سه بعدی محفظه احتراق حجم ثابت با محیط متخلخل و بدون آن - که محفظه آزاد می نامیم - با استفاده از کد تصحیح شده KIVA-3V بررسی می شود. سوخت دیزل بطورمستقیم داخل محفظه حجم ثابت داغ پاشیده می شود.
نتایج محاسبات با نتایج تست مقایسه شده است. تشکیل مخلوط در محفظه آزاد و محیط متخلخل با هم مقایسه شده است. اثر جرم سوخت دیزل، روی فرآیندهای تبخیر و احتراق مطالعه شده است. فشار سیلندر و دمای گاز محیط متخلخل و جز جرمی C10H22، CO، NO و دوده درمقابل زمان آورده شده است.
-2 معادلات حاکم
برای شبیه سازی محفظه حجم آزاد - بدون محیط متخلخل - ، از کد KIVA-3V بدون تغییر استفاده شده است. ولی برای شبیه سازی محفظه محیط متخلخل معادله پیوستگی گونه های شیمیایی، معادلات مومنتم، انرژی فاز گاز، معادله حرکت قطره و معدله تبخیر قطره تصحیح شده است. همچنین معادله انرژی فاز جامد به مجموعه معادلات اضافه شده است. معادلات حاکم در کد KIVA-3V به صورت زیر اصلاح می شوند :[18-17]
معادله پیوستگی برای گونه - i ام:
ρi چگالی جزi ام و ρ چگالی مخلوط، φ درصد تخلخل و u بردارسرعت است.
ترم آخر در معادله - 2 - افت فشار مربوط به محیط متخلخل است که با توجه به رابطه ارگان [18] به معادله مومنتم اضافه شده است.
cg گرمای ویژه مخلوط، Tg دمای گاز، Yi کسر جرمی جز i ام ،ώi نرخ تغیرات مولی جز i ام، hi انتالپی جز i ام ، Wi جرم مولکولی جز i ام، kg ضریب هدایت حرارتی سیال،D || d ضریب حرارتی پخش در امتداد طولی در اثر محیط متخلخل ، hv ضریب انتقال حرارت جابجایی حجمی در محیط متخلخل است.
Ts دمای محیط جامد، ρs چگالی مخلوط، cs گرمای ویژه محیط جامد، ks ضریب هدایت حرارتی محیط جامد ، qr تشعشع حرارتی محیط جامد است.
مدل آشفتگی جریان :
بدلیل اینکه تا کنون هیچ مدل جامعی در مورد مدلسازی جریان متلاطم درون محیطهای متخلخل با جریان تراکم پذیر ارائه نشده است. از این رو مدل κ - ε بدون هیچ تغییری استفاده شده است. معادله انتقال برای انرژی جنبشی آشفتگی جریان :[17]
مدل احتراق :
نرخ واکنشها با روش آرنیوس محاسبه می شود. به منظور در نظر گرفتن اثر آشفتگی روی احتراق، مدل احتراق متلاطم Eddy Breakup می باشد. این مدل نرخ احتراق متلاطم لحظه ای و موضعی را به جز جرمی سوخت و مشخصه زمانی تلاطم جریان مربوط می کند
مدلسازی تشعشع :
به دلیل دمای بالای ناحیه احتراق و گداختگی ماده جامد در این دما، لحاظ کردن تشعشع حرارتی اهمیت می یابد . رابطه های متعددی برای مدلسازی انتقال حرارت تشعشی و به دست آوردن شدت تابش ارائه شده است. ترم منبع حرارتی ∇. درمعادله - 12 - از مدل Rosseland برای شبیه سازی انتقال حرارت تشعشع استفاده شده است.
معادله حرکت برای قطره :
نیروی درگ که در اثر برخورد قطرات مایع با محیط متخلخل سبب می شود، بوسیله رابطه ضریب درگ برای برخورد قطرات مایع با یک استوانه مدل می شود
معادله حرارت دادن وتبخیر قطره :
دمای قطره با توجه به بالانس حرارتی و انتقال حرارت جابجایی بین قطره و فازهای جامد و سیال در محیط متخلخل تعیین می شود. ضریب انتقال حرارت بین قطرات مایع و محیط متخلخل با ترکیبی از دو رابطه تعیین می شود. انتقال حرارت بر اثر برخورد قطره مایع به دیوار داغ می باشد و انتقال حرارت از دیوار داغ به بخار تبخیر شده مربوط به قطره مایع می باشد. اثر انتقال حرارت تشعشع از گاز و فاز جامد محیط متخلخل روی دمای قطرات مایع صرف نظر شده است.
-3 آماده سازی شبکه محاسباتی
شکل - 1 - هندسه شماتیک محیط متخلخل حجم ثابت را نشان می دهد .[20] برای شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی، شبکه محاسباتی با نرم افزار ICEM-CFD ایجاد شده است. شکل - 2 - یک-هفتم محفظه حجم ثابت - قطاعی از مش - را نشان می دهد. تعداد سلول ها برای این شبیه سازی 77842 می باشد
