مقاله شبیه سازی عددی احتراق توربولانسی اسپری در شرایط مایلد

بخشی از مقاله

چکیده

احتراق مایلد رژیمی نسبتا نو در شاخه ی احتراق به شمار می رود که با بازده گرمایی بالا و تولید اندک آلاینده ها به خصوص اکسیدهای نیتروژن و دوده متمایز می شود. به دلیل ویژگی های مطلوب این رژیم احتراقی استفاده از آن در حال گسترش است که از آن جمله می توان به مشعل ها،کوره های صنعتی و توربین های گازی اشاره نمود. در همین راستا مطالعات تجربی و عددی نیز بر روی این نوع از احتراق به خصوص با سوخت های مایع نیز در حال گسترش است. در این مطالعه به شبیه سازی و بررسی عددی مشعلی آزمایشگاه که با هدف مطالعه شعله توربولانسی حاصل از اسپری در شرایط مایلد ایجاد شده، پرداخته شده است.

شبیه سازی عددی احتراق اسپری مسئله ای چند وجهی می باشد. به طور کلی می توان شبیه سازی عددی احتراق توربولانسی اسپری را متشکل از سه مدل سازی از زیر پدیده های کلان مسئله دانست: مدل سازی اسپری، مدل سازی توربولانس و مدل سازی احتراق . در این مطالعه ی عددی از رویکرد لاگرانژی برای مدل سازی اسپری، رویکرد میانگین گیری زمانی برای مدل سازی توربولانسی و رویکرد احتراقی اختلاطی و حجم مبنا استفاده است. نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی موجود اعتبارسنجی شده و به شرح ساختار شعله بر اساس نتایج های استخراجی، پرداخته شده است. در کل نتایج عددی، پیش بینی مناسبی از ساختار شعله ارائه داده اند. دلایل احتمالی برای خطاهای مشاهده شده ارائه شده است و راهکارهای حل آن نیز بیان گردیده است.

-1  مقدمه

از تکنولوژی های جدید در زمینه احتراق، احتراق در شرایط رقیق سازی متوسط و یا بالا و نیز پیش گرمایش بالا - مایلد - 1 می باشد. بنابه تعریف کاوالیر و جوانون [1] فرآیند احتراقی مایلد نامیده میشود که دمای ورودی مخلوط واکنشدهنده از دمای خود اشتعالی مخلوط بالاتر باشد و بیشینه افزایش دما نسبت به دمای ورودی در حین احتراق از دمای خود اشتعالی مخلوط - به کلوین - کمتر باشد.

بازده گرمایی بالا، کاهش قابل ملاحظه در تولید آلاینده های کربن مونوکسید و اکسیدهای نیتروژن، میدان حرارتی تشعشعی تقریبا یکنواخت، کاهش حجم محفظه احتراق، امکان بهره برداری از سوختهای نامرغوب، صدای احتراق پایین و پایداری شعله ی آسان از مشخصات عملکردی این تکنولوژی می باشد [2]، .[1] در احتراق مایلد رقیق سازی واکنش دهنده ها باعث کاهش قلهی دمایی احتراق و جلوگیری از به وجود آمدن غلظت بالای اکسیژن می شود. به این صورت کاهش قابل ملاحظه ای در تولید اکسدهای نیتروژن قابل دستیابی است .[3]

همچنین پیش گرمایش مخلوط ورودی پایداری بالا و نیز افزایش حجم شعله را موجب خواهد شد. لذا در مجموع واکنش های با سرعت پایین تر و ناحیهی احتراقی توزیع شدهای در محفظه ایجاد خواهد شد و حجم مفید محفظه را افزایش خواهد داد. این افزایش حجم ناحیه ی احتراقی همچنین سبب افزایش انتقال حرارت تشعشعی - که در بسیاری از کوره های صنعتی مهم است - می شود.

احتراق مایلد پس از سال 2000 بهطور گستردهای بهصورت تجربی و چه عددی موردمطالعه قرار گرفته است که این بررسیهااکثراً بر روی سوختهای گازی متمرکز بوده است. از این جمله میتوان به مطالعات مردانی و همکاران [4] و [5] اشاره کرد. تا به دین جا استفاده از این فناوری به طور عمده در حوزه ی کوره ها و مشعل های صنعتی متمرکز بوده است که به دلیل ویژگی های مطلوب ذکر شده برای این رژیم احتراقی، مطالعات جهت بهره گیری از این فناوری در توربین های گازی نیز به تازگی مد نظر قرار گرفته است. از مشکلات پیشرو در این مسیر به کمبود چگالی تولید توان می توان اشاره کرد.

از دیدگاه فاز سوخت های به کار رفته در فرآیند احتراقی، احتراق مایلد سوختهای گازی توسعه خوبی یافته است این در حالی است که مطالعات تجربی و عددی در ارتباط با احتراق مایلد اسپری در ابتدای راه خود به سر می برد [6] که از این موارد می توان به مطالعات تجربی و عددی مربوط به دانشگاه دلفت هلند نام برد که به سال 2014 به بعد مرتبط می باشد و هدف آن استفاده از این تکنولوژی در مشعل های صنعتی جهت مصرف سوخت های هیدروکربنی سنگین با قیمت ارزان توام با آلایندگی پایین و بازده حرارتی بالا می باشد. بدین منظور مطالعه ی احتراق شعله های کوچک تر با سوخت های مایع سبک تر آغاز شده است.

جنی و همکاران [7] مروری بر کارهای تجربی و عددی انجام گرفته تا سال 2013 در ارتباط با احتراق توربولانسی اسپری انجام داده اند. در این بررسی مشعل های آزمایشگاهی جهت مطالعه احتراق توربولانسی اسپری طبقه بندی شده است. در ردیف های 1 تا 7 جدول 1مشخصات کاری این مشعل ها آمده است. مشعل های آزمایشگاهی ردیف 8 و 9 جدید تر بوده و مربوط به به تاریخ بعد از سال 2013 می باشد. لازم به ذکر است که در این جدول مشعل های آزمایشگاهی که برای تولید پایگاه داده جهت مطالعات عددی توسعه داده شده اند، آمده است.

از ویژگیهای یک پایگاه دادهی تجربی خوب میتوان به داده برداری از چندین متغیر در چندین مکان، شرایط ورودی متفاوت و رژیمهای احتراقی متفاوت مرتبط با آنها و اندازهگیری دقیق و کامل شرایط ورودی اشاره کرد. شرایط ورودی به ناحیهای اطلاق میشود که اسپری رقیق وارد محدودهی آزمایش میشود. از میان مشعل های آزمایشگاهی جدول 1که مربوط به احتراق توربولانسی اسپری میشدند تنها دو مورد هیل-ویتنبرگ و دلفت دارای آزمایشهای با هوای پیش گرم هستند - قید هوای پیش گرم و رقیق شده از اکسیژن به دلیل بررسی شرایط مایلد اهمیت دارد - .

مشعل دانشگاه کریا روئن هم که از آخرین کارهای تجربی به شمار می رود، به اثر رقیق سازی اکسیژن در هوای همراه تمرکز دارد. از این میان، مشعل آزمایشگاهی اسپری در هوای همراه گرم دانشگاه صنعتی دلفت1 به دلیل جدید و جامع بودن به عنوان مشعل هدف برای مطالعه عددی احتراق توروبلانسی اسپری در شرایط مایلد انتخاب شده است.

شبیهسازی عددی احتراق اسپری بهخودیخود مسئله ای چندوجهی و پیچیده میباشد که عملاً نیاز به مدلسازیهای مختلف اسپری، توربولانس و احتراق برای این کار می باشد. پیچیدگیهای جدیدی نیز به احتراق مایلد اسپری اضافه می شود. بهطور مثال حضور هوای گرم و رقیقشده از اکسیژن میتواند بر فروپاشی و تبخیر قطرات اثرگذار باشد و مدلهایی برای در نظر گرفتن این تأثیرات موردنیاز می باشد.

مدلهای احتراقی که بهطور مؤثر و دقیق برهمکنش توربولانس- شیمی را در احتراق مایلد اسپری پیشبینی کنند درحال توسعه می باشد. سؤالهایی از قبیل اینکه مدلهایی که برای احتراق اسپری در شرایط معمول توسعه دادهشده است برای شرایط مایلد نیز قابلاستفاده میباشد یا خیر و یا کدام مدلها - و یا اجزای مدلها، زیر مدلها - اثر مهمی در پیش بینی احتراق مایلد اسپری دارد قابل پرسش میباشد.

جنی و همکاران [7] مروری به کارهای انجام گرفته در ارتباط شبیه سازی عددی احتراق توربولانسی اسپری رقیق تا سال 2012 انجام داده اند. همچنین خلاصه ای از زیر مدل های عددی متفاوت جهت شبیه سازی احتراق توربولانسی اسپری رقیق ارائه شده است. از جمله مشعل های آزمایشگاهی اخیر جهت بررسی احتراق اسپری رقیق مشعل کریا روئن فرانسه می باشد .[24] در این مشعل، اسپری از جنس اتانول درون مخلوطی از کربن دی اکسید و اکسیژن با نسبتهای اختلاط متفاوت که در راستای محور اسپری را همراهی میکند، پاشیده شده است.

این مشعل به منظور بررسی اثرات رقیق سازی به وسیله دی اکسید کربن بر شعله اسپری اکسی-فیول2 و بررسی ساختار و پایداری شعله، ایجاد شده است. بدین منظور شرایط مرزی مشعل تا جای ممکن دقیق تعریف و اندازه گیری شده است تا پایگاه قابل استفاده در کارهای عددی ایجاد گردد .[24] ما و همکاران [25] به بررسی عددی این مشعل با رویکرد توبولانسی "شبیه سازی گردابه بزرگ "3 و مدل توربولانسی اف جی ام4 پرداختند.

نتایج این بررسی ها نشان داد که می توان تفاوت های میان ساختارهای متفاوت شعله در شرایط متفاوت کارکردی را با مجموع اثرات گرمایش قطرات، نوسانات سرعت قطرات5 و تبخیر قطرات تابعی از اندازه قطرات توضیح داد. در حالت هایی از شعله، برهمکنش قوی میان فرآیندهای ریزسازی و احتراق در توجیه ساختار شعله و فرآیند تشکیل قطرات مهم می باشد که نیاز به بررسی بیشتر در این زمینه وجود دارد.

مشعل آزمایشگاهی اسپری دانشگاه دلفت به دلیل هندسه تقارن محوری و داده های اندازه گیری شده ی مناسب در مرز و درون ناحیه احتراقی، گزینه ی مناسبی برای مطالعات عددی احتراق توربولانسی اسپری رقیق در شرایط مایلد - هوای همراه گرم و رقیق از اکسیژن - می باشد. این مطالعات، بر پایهی کارهای تجربی رودریگز [21]، [22]، [23] صورت گرفته است.

در رساله دکترا رودریگز [21]، ساخت و انجام آزمایشهای مختلف بر روی اسپری در هوای همراه پیشگرم شده دلفت در دستور کار بوده است. این مشعل با رویکردهای مختلف توربولانسی و احتراقی مورد بررسی های عددی قرار گرفته است. از آن جمله رویکرد رنس/فلمیلت[26] 6، پی دی اف توربولانسی/اف جی ام[27]7 و ال ای اس/اف جی ام[28] 8 می باشد. این بررسی ها نشان داد که مدل اف جی ام پیش بینی بهتری نسبت به مدل فلیملت در شناسایی ساختار شعله از جمله شعله دو شاخه در حالت هوای همراه سرد و شعله برخاسته را دارا می باشد.

با این حال مدل اف جی ام فرض هایی ساده کننده ای بر سینتیک شیمیایی اعمال می کند که در احتراق مایلد، سینتیک شیمیایی به دلیل پایین بودن عدد دامکالر بسیار مهم می باشد. مدل "مفهوم اضمحلال ادی"9 - ایی دی سی - [29] برای مدل سازی جریان احتراقی توربولانسی به خصوص مواردی که سینتیک شیمیایی نقش مهمی را ایفا می کند و ارتباط قوی ای میان توربولانس و سینتیک شیمیایی وجود دارد به طور گسترده ای استفاده شده است. چنین ویژگی هایی در احتراق مایلد که ابعاد زمانی واکنش های شیمیایی نسبت به احتراق معمول افزایش می یابد - کندشدن واکنش ها به دلیل رقیق سازی واکنش دهنده ها - ، وجود دارد .[30] در این مطالعه از رویکرد اختلاط توربولانسی و مدل ایی دی سی برای مدل سازی احتراق استفاده شده است.

در مقاله حاضر به شبیهسازی احتراق آشفتهی اسپری در شرایط هوای همراه گرم و رقیق از اکسیژن پرداختهشده است. مشعل اسپری در هوای همراه گرم دانشگاه دلفت به منظور بررسی عددی انتخاب شده است و نتایج شبیهسازیهای عددی با نتایج آزمونهای تجربی مقایسه شده است. هدف کلی در این بررسی عددی دستیابی به ترکیبی از مدلهای اسپری، احتراق و توربولانس برای پیشبینی صحیح ساختار شعله اسپری مایلد بوده است تا شناخت بیشتری از پدیدهها و فیزیک جریان احتراقی اسپری مایلد حاصل گردد.

-2  مشعل آزمایشگاهی "اسپری در هوای همراه گرم دلفت"1

مشعل آزمایشگاهی اسپری در هوای همراه گرم دانشگاه صنعتی دلفت از یک جت اسپری محوری که به وسیله ی سوخت پاشی فشاری-پیچشی تولید می شود و توسط هوای همراهی گرم و رقیق از اکسیژن که اسپری را به صورت هم محور احاطه کرده است، تشکیل شده است. شماتیکی از مشعل به همراه ابعاد هندسی و اجزای مختلف مشعل در شکل 1 مشاهده می شود.

هوای همراه گرم و رقیق به وسیله ی مشعلی ثانویه در بالادست مشعل اصلی تامین می شود. از میان شعله های مختلف آزمایش شده در این مشعل، حالت H|| در این جا مورد مطالعه قرار گرفته است. در جدول 2 مشخصات کارکردی این حالت مشاهده می شود. این حالت به احتراق اسپری اتانول در هوای همراه با دمای 1400 کلوین و غلظت اکسیژن در حدود 9 درصد مربوط می شود. به دلیل دمای بالا و رقیق از اکسیژن بودن جریان اکسنده، این حالت نماینده ی مناسبی برای بررسی احتراق مایلد اسپری می باشد.

3  مدل سازی عددی

حل عددی جریان سیال شامل حل معادلات حاکم میانگینگیری شدهی زمانی تراکم ناپذیر پیوستگی، مومنتوم، انرژی و بقای گونههای شیمیایی میشود. از رویکرد میانگینگیری زمانی نویر-استوکس2 برای مدلسازی توربولانسی و از مدل استاندارد k-e به عنوان مدل توربولانسی استفادهشده است. معادلات جریان در دستگاه مختصات دوبعدی تقارن محوری حل شده اند. تزریق و تعقیب مسیر قطرات در دستگاه مختصات لاگرانژی به وسیله ی حل معادله ی بالانس نیرویی نیوتون برای قطرات انجام می گردد.

از مدل "مفهوم اضمحلال ادی ها" - ایی دی سی - به همراه مکانیزم شیمیایی جزیی [32] برای احتراق اتانول/هوا که دارای 40 گونه و 576 واکنش شیمیایی برگشت پذیر است، برای برهمکنش احتراق-توربولانس استفاده شده است. مدل ایی دی سی توسعه یافتهی "مدل اتلاف گردابه "3 - ایی دی ام - محسوب می شود که مکانیزم های شیمیایی جزئی در جریانهای توربولانسی را هم در برمی گیرد. در مدل اتلاف گردابه نرخ واکنش با فرکانس اختلاط توربولانسی و غلظت واکنشدهندهی محدودکننده، کنترل میشود.

در مدل ایی دی سی واکنش شیمیایی در ساختارهای کوچک توربولانسی به نام، ابعاد ریز رخ میدهند که طول این ابعاد ریز به خواص توربولانسی جریان آشفته مرتبط میگردد. در این مدل بهطورمعمول احتراق در ابعاد ریز درون رآکتور فشارثابت با شرایط اولیه گونهها و دمای برابر با مقادیر موجود در سلول محاسباتی انجام میشود. واکنشهای شیمیایی طی بازهی زمانی مشخص که به خواص توربولانسی جریان مرتبطاند و طبق نرخ آرینیوس انجام می گیرد.

مدل ایی دی سی به دلیل استفاده از مکانیزم های شیمیایی جزئی در جریان واکنشی توربولانسی، توانایی محاسبهی غلظت گونههای میانی و یا با نرخ واکنش پایین را دارا می باشد و جزء مدلهای شیمی نرخ محدود محسوب میشود. شرایط مرزی جریان هوای همراه، شامل غلظت گونهها، دما، سرعت جریان و شدت توربولانسی به صورت پروفایل به دست آمده از داده برداری های تجربی، در حل عددی تنظیم شده است. مقادیر متوسط این شرایط مرزی به همراه دبی سوخت پاش سوخت مایع در جدول 3 آمده است. سایر شرایط مرزی به همراه ابعاد محدوده ی حل محاسباتی در شکل 2 قابلمشاهده است.