بخشی از مقاله
خلاصه
در پژوهش حاضر، فرایند احتراق متان و تولید آلاینده ها شامل اکسیدهای نیتروژن و دوده به صورت عددی و با نرم افزار ANSYS FLUENT شبیه سازی گردید. صحت مدل توسعه داده شده با مقایسه ی توزیع شعاعی و محوری دما در محفظه ی احتراق با نتایج تجربی مورد تأیید قرار گرفت. نتایج نشان داد که مدل حاضر قابلیت خوبی در پیش بینی رفتار سیستم مورد مطالعه دارد. با توجه به این نتایج؛ مشاهده شد که در راستای محوری، بیشترین تولید دوده در ناحیه ی بین 0/2 تا 0/6 متر و بیشترین تولید اکسیدهای نیتروژن در نواحی انتهایی و در نقطه ی ./9 متر رخ می دهد. در راستای شعاعی نیز، در نواحی انتهایی محفظه بیشترین تولید آلاینده های مذکور، در مرکز و نزدیک به محور محفظه اتفاق می افتد این در صورتی است که در نواحی نزدیک به نازل بیشترین مقدار آلاینده در ناحیه ای بین ناحیه مرکزی و دیواره ی قرار می گیرد.
کلمات کلیدی: احتراق، متان، شبیه سازی عددی، اکسید نیتروژن، دوده، آلاینده ها
1. مقدمه
در سالیان اخیر با توسعه ی همه جانبه ی صنایعی که نیروی محرکه ی اصلی آنها سوخت های فسیلی است، مشکلات و مخاطرات زیادی از نطر زیست محیطی به علت ورود آلاینده های ناشی از احتراق این نوع سوخت ها به محیط زیست، ایجاد شده است. در این میان آلاینده هایی مانند اکسیدهای نیتروژن که شامل NO , NO2 , NO3 و ... می باشد و دوده از مهمترین آلاینده هایی هستند که لزوم بررسی هرچه دقیق تر تولید و انتشار این آلاینده ها در فرایند احتراق انواع مختلف سوخت ها، ضروری به نظر می رسد. در همین راستا بررسی احتراق گاز متان یا همان گاز طبیعی و تولید دوده و اکسیدهای نیتروژن حاصل از این احتراق به علت اینکه این سوخت از مهمترین سوختهای مورد استفاده در مصارف خانگی و صنعتی می باشد، بسیار حایز اهمیت است. بررسی این فرایند و تولید اکسیدهای نیتروژن و دوده و عوامل تأثیر گذار بر تولید آنها از آن جهت مهم است که به درک درست از این پدیده و در نهایت به بهینه سازی وکاهش آلاینده ها در سیستم های احتراقی خواهد انجامید.
بر این اساس محققان و پژوهشگران، کارهای تحقیقاتی مختلفی از کارهای تجربی و آزمایشگاهی گرفته تا کارهای تحلیلی و شبیه سازی های عددی جهت بررسی فرایند احتراق متان و عوامل موثر در کاهش یا افزایش تولید آلاینده ها ، انجام داده اند. در این میان پژوهش های عددی مانند شبیه سازی های CFD به جهت رفع محدودیت های عملیاتی که در پژوهش های آزمایشگاهی وجود دارد، بسیار مورد توجه قرار گرفته شده اند. در این راستا، برای اولین بار شدت تولید NO و ضخامت شعله برای مخلوط از پیش نا آمیخته متان توسط هان و وند [1] مورد بررسی قرار گرفت. آنها نرخ تولید NO را به صورت تابعی از انبساط شعله پیشبینی کردند. راک و همکاران [2] یک رابطه و تابع ضمنی جهت پیش بینی نرخ تولید موضعی NO ارایه دادند.
آنها برای کاربردها و سوخت های مختلف فرایند احتراق، کارکرد رابطه ی مذکور را مورد بررسی قرار دادند. چن و چانگ [3] تولید NO را در یک جریان آشفته ی از پیش آمیخته نشده را با رویکرد PDF مدلسازی کردند. آنها نشان دادندکه حرارت از دست رفته ار طریق تشعشع تأثیر بسزایی برای پیش بینی صحیح غلظت NO در نقاط دور از مبدا شعله دارد. یاماشیتا و همکاران [4] از رویکرد مشابهی جهت ارایه ی یک شیوه و روش محاسباتی جدید استفاده کردند به گونه ای که روش جدید قادربه پیش بینی شاخص های انتشار در شعله های با حالت آشفته باشد. روش جدید دیگری نیز توسط کک و همکاران [5] برای پیشبینی رفتار احتراق گازها در شرایط عملیاتی توربین گازی ارایه گردید.
مدل توسعه داده شده توسط این پژوهشگران تطابق خوبی ار جهت پیشبینی انتشار NOx و CO با نتایج آزمایشگاهی داشت. مکانیسم تولید اکسیدهای نیتروژن در شعله های آشفته توسط یاماشیتا [6] مورد بررسی قرار گرفت. وی با استفاده از یک مدل دو بعدی و به صورت عددی توانست صحت مکانیسم ارایه شده را برای پیشبینی نرخ تولید NOx در میدان جریان آشفته تأیید کند و نشان داد این مکانیسم مشابه مکانیسم تولید NOx در حالت شعله ی نفوذ آرام و با حالت ناپایدار است. کیم و همکاران [7] از رویکرد اشتعال ذره اولری برای پیشبینی رفتار دو بعدی و سه بعدی شعله های چرخشی استفاده کردند و صحت نتایج حاصل را با مقایسه با پژوهش های آزمایشگاهی مورد تأیید قرار دادند.
به طور کلی در سالهای اخیر پژوهش های فراوانی جهت پیش بینی نرخ تولید NOx در رژیم های جریانی مختلف صورت گرفته است.[13-8] آنها از چندین رویکرد عددی جهت مدلسازی تولید اکسیدهای نیتروژن در انواع مختلف شعله و احتراق استفاده کردند و نتایج حاصل را مورد تجزیه و تحلیل علمی و دقیق قرار دادند. البته باید توجه داشت که علی رغم پژوهش های زیاد در زمینه احتراق و تولید آلاینده، هنوز خلأ های تحقیقاتی فراوانی علی الخصوص در مبحت شبیه سازی های عددی، وجود دارد. در این راستا در پژوهش حاضر سعی خواهد شد که در ادامه ی کار دیگر پژوهشگران، فرایند احتراق متان و تولید آلاینده ها به صورت دقیق تری شبیه سازی و مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد.
2. شبیه سازی CFD
در پژوهش حاضر اکسیداسیون متان با مدل واکنش تک مرحلهای، با فرض تبدیل کامل سوخت به CO2 و H2O ارائه میشود. معادله واکنش به صورت ذیل است:
ساختار شعله و محفظه احتراق مورد بررسی به گونه ای انتخاب شده است که تقرباًی همانند شرایط آزمایشگاهی مورد استفاده توسط بروکس و همکاران [14] باشد. ساختار شعله - هندسه - و شبکه بندی مربوطه در شکل .1 نشان داده میشود. باتوجه به این سیستم گاز متان در یک نازل جت به قطر 4 میلیمتر که به طور هم محور با ورودی هوا به قطر 159 میایمتر قرار داده شده است، تزریق میشود. دبی سوخت و هوا برابر با به ترتیب0/000172 و 0/0118 کیلوگرم بر ثانیه انتخاب گردید.معادلات حاکم بر سیستم شامل معادلات بقای جرم، مومنتم، انرژی و اجزاء میباشد. که جزئیات ان به صورت زیر است: با فرض سیال نیوتنی، در مختصات کارتزین معادله پیوستگی به فرم زیر است:
که دانسیته جریان و ui اجزای سرعت در جهت xi و sm منبع جرمی تولید شده بوسیله یک بنیان حجمی است.معادله دوم از معادلات حاکم، معادله مومنتوم یا حرکت است:
p فشار محلی، ویسکوزیته دینامیک،u S ترم تولید مومنتوم Biنیروهای حجمی وارد بر سیال هستند.معادله انرژی شامل ترم های آنتالپی است:
h آنتالپی مخصوص،نسبت ویسکوزیته موثر و عدد پرانتل،تابع اتلاف، hS ترم تولید انتالپی است.معادله پایستگی دیفرانسیلی جزیی برای هر جز شیمیایی چنین است:
که mi کسر جرمی جز شیمیایی i ام، m نسبت ثابت دیفیوژن موثر برای جز i ام به دیفیوزیتی مومنتوم آشفته، Ri دبی جرمی تولیدی یامصرف شده بوسیله واکنش شیمیایی است و Si منابع دیگر تولید اجزاست. یک معادله از این فرم باید برای 1 N جز حل شود که N تعداداجزای شیمیایی حاضر در سیستم هستند.برای در نظر گرفتن تعامل آشفتگی و شیمیایی از مدل اتلاف کاتورهای1 به منظور محاسبه تأثیر نرخ واکنش شیمیایی متلاطم بهره برده شده است .[15] در این مدل از کمینه ی روابط زیر به عنوان سرعت واکنش استفاده می شود.که BR ثابت تجربی برای واکنش هاست.و دومین سرعت واکنش سرعت اتلاف ادی های آشفته محصولات است:
که BP ثابت محیطی برای محصولات است. برای مدلسازی NOx از دو مکانیزم تشکیل NOx حرارتی - Thermal NOx - و NOx فوری - Prompt NOx - ، برای پیش بینی تولیدNOx استفاده شده است و بدین منظور یک معادله انتقال برای غلظت NO حل می شود. فلوئنت معادله انتقال جرم که جابجایی، دیفیوژن، تولید ومصرف NOو گونه های مربوطه را در نظر می گیرد برای NO حل می کند. معادله انتقال NO به صورت رابطهمی باشد.SNO ترم چشمه است که بوسیله مدلهای مربوط به مکانیزمهای مختلف تشکیل همکاران [16] برای تولید اکسیدهای نیتروزن استفاده شده است. همچنین برای در نظر استفاده شده است.[17]NO مشخص میشود. در این مقاله از مکانیسم زیلدوویچ و گرفتن تولید دوده ناشی از فرایند احتراق از مدل ماس بروکس
