بخشی از مقاله
چکیده
باوجود پیشرفتهای زیاد در حوزه شبیهسازیهای محاسباتی، تست مشعل نقش کلیدی در بهبود عملکرد مشعلها بازی میکند. این مربوط به محدودیتهای مدل های جریان است. پیش بینی دقیق خصوصیات شعله خیلی پیچیده است. تست ها برای طراحی مشعلهای جدید مورد نیازند و اهدافشان شامل تعیین محدوده کاری، خصوصیت و طول شعله، اندازهگیری سطوح انتشار، اندازهگیری سطح اختلال و غیره است. در کار حاضر به بررسی شعله احتراق در یک جت با مقطع دایرهای در نرم افزار کامسول پرداخته و نتایج حاصل با دادههای آزمایشگاهی موجود مقایسه شد.
پس از اطمینان از روش حل، تاثیر دبی سوخت و اکسیدکننده بر رفتار شعله بررسی شد. نتایج حاصل از شبیهسازی با دقت بالایی بر داده های آزمایشگاهی منطبق بود. نتایج نشان دادند که با افزایش سرعت، میزان منواکسید کربن افزایش یافته که نشانگر تأثیرنامناسب افزایش سرعت بر شکلگیری احتراق کامل است. با افزایش دمای ورودی، میزان CO کاهش یافت که نشانگر پیشروی احتراق به سمت کامل بودن است. با افزایش دمای ورودی، میزان هیدروژن باقیمانده در محفظهی احتراق و یا به عبارتی هیدروژن نسوخته کاهش یافت که میتوان گفت احتراق کاملترشده و سوخت بیشتری در فرآیند شرکت داشته است.
-1مقدمه
علیرغم جستجوی فراوان برای منابع انرژی جدید، احتراق همچنان روش رایج تولید انرژی در صنایعی مثل فرایندهای متالورژی و تولید توان است. از اینرو عمده تلاشها بر روی بهینهسازی طراحی تجهیزات احتراقی جدید، شامل نمونههای مختلف مشعلها، متمرکز شده است. باوجود پیشرفتهای زیاد در سطح شبیهسازیهای محاسباتی، آزمون مشعل نقش کلیدی در بهبود مشعلها بازی میکند. این مربوط به محدودیتهای مدلهای جریان است .[1]
آزمونها برای طراحی مشعلهای جدید مورد نیاز هستند و اهدافشان شامل تعیین محدوده کاری، خصوصیت و طول شعله، اندازهگیری سطوح انتشارات، اندازهگیری سطح اختلال و غیره است .[2] اهداف اصلی در طراحی مشعل، افزایش کارایی احتراق و به حداقل رساندن تولید آلودگیهایی نظیرCO وNOx است. امروزه استفاده از مدلسازی عددی، به منظور در زمان طراحی و سایر هزینهها، در بررسی عملکرد تولیدات جدید مشعلهای صنعتی و همچنین خطرات آزمایشگاهی، به صورت ابزاری ضروری در آمده است .[3] مشعلهای سوخت گازی نوعاً به طور عمده در بیشتر کاربردهای مورد نظر استفاده میشوند.
به طور عمومی، گاز طبیعی اکثراً به خاطر قیمت کم و در دسترس بودنش به عنوان سوخت گازی به کار میرود. به هر حال دامنه وسیعی از سوختهای گازی به عنوان مثال در صنایع شیمیایی استفاده میشود. این سوختها شامل چندین جزء نظیر متان، هیدروژن، پروپان، نیتروژن و دی اکسید کربن هستند. سوختهای گازی در زمره آسانترین سوختها برای کنترل هستند به دلیل اینکه تبخیری نیاز ندارند برخلاف نمونه سوختهای مایع وجامد .[4] یکی از مزیتهای سوختهای گازی استفاده شده در کاربردهای احتراق صنعتی این است که احتراق خیلی تمیزی دارند و ذرات ریز کمی تولید میکنند.
به هرحال، این یک ضرر برای انتقال حرارت از شعلهها است به خاطر اینکه شعلهها اغلب بدون درخشندگی هستند و ممکن است فقط در نوار باریکی از طول موج تابیده شود. همچنین با توجه به اهمیت شناخت هر چه بیشتر شعله و احتراق، در ادامه به برخی مطالعات صورت گرفته دراین زمینه به صورت خلاصه اشاره شده است. مصری و همکاران[5] مطالعه وسیعی را با استفاده از دیدگاه PDF توأم کمیات اسکالر و مدل آشفتگی K- استاندارد بر روی شعله برخاسته فواره نفوذی و محل برخاستگی آن انجام دادند و یکی از دلایل انحراف مقادیر عددی از دادههای تجربی را ناشی از مدل آشفتگی K- استاندارد عنوان کردند.
آنها نشان دادند که اصلاح ضرایب مدل K- استاندارد، بهبودی در نتایج میدان های دما و اجزا در این شعله ایجاد نمیکند و دلیل این امر تغییرات شدید دانسیته در جریان احتراقی است که مدل آشفتگی K- عاری از در نظر گرفتن آن است. کائو و همکارانش[6] مطالعه جامعی در مورد یک نمونه شعله با استفاده از مدل PDF توأم سرعت-فرکانس آشفتگی- ترکیب شیمیایی انجام داده و یکی از دلایل انحراف در نتایج با استفاده از روش PDF توأم کمیات اسکالر را استفاده از مدل K- استاندارد عنوان نمودند. همچنین آنها پیشنهاد کردند که به کارگیری مدلهای آشفتگی پیشرفته میتواند نتایج عددی بهتری را در مقایسه با دادههای تجربی ارائه کند.
ریموندو و همکارانش [7] به بررسی عددی انتشار شعله در یک میکروکانال به صورت دوبعدی همراه با دفع حرارت به محیط اطراف و باز تولید رادیکال در دیواره پرداختند. آنها، همچنین ناپیوستگی وغلظت گونههای شیمیایی در دیواره را نیز مورد بررسی قرار دادند. آنها دریافتند که ناپیوستگی دما و سرعت برای کانالهای باریک ناچیز و قابل صرفنظر کردن است. همچنین انتقال حرارت و جذب رادیکالها در ابتدای دیواره نقش حیاتی در پایداری شعله ایفا میکند.
رهقی و همکارانش[8] به بررسی دوبعدی احتراق در ابعاد میکرو پرداختند و شرط لغزش و ناپیوستگی دمایی را بر دیواره اعمال کردند. آنها بیان نمودند که اصلاح شرایط مرزی اثر چندانی بر پارامترهای مهم در اینگونه محفظههای احتراق ندارد.درمیکرو محفظههای احتراق، به دلیل زیاد بودن نسبت سطح به حجم،پدیدههای انتقال جرم و حرارت نسبت به محفظههای احتراق عادی با شدت بیشتری انجام میپذیرد.
ازاینرو، میکرو محفظههای احتراق مساعد خاموشی بر اثر نفوذ رادیکال در دیواره و خاموشی گرمایی هستند. پژوهشگران توانستهاند جنس دیواره محفظههای احتراق را بهگونهای بسازند که رادیکالها در آن نفوذ نکنند. خروج شعله از کانال هنگامی روی میدهد که زمان ماندگاری سیال در کانال کمتر از زمان انجام واکنش باشد. خاموشی هنگامی رخ میدهد که گرمای تولید شده به سبب واکنش نتواند بر گرمای از دست رفته به محیط غلبه کند.
لیچ وهمکارانش[9] نقش انتقال حرارت از دیواره به سیال سرد و همینطور به محیط بیرون را در کارایی یک میکرو محفظه احتراق سیلیکونی با استفاده از یک مدل یک بعدی بررسی کردند. آنها بیان کردند که با کاهش اندازه میکرو محفظه احتراق، نقش پیش گرم کردن سیال سرد توسط دیواره در پایداری شعله پررنگتر میشود. نورتن و همکارانش [10] مطالعه عددی بر روی مشخصات شعله احتراق متان- هوا با استفاده از نرمافزار فلوئنت را انجام دادند.
آنها نموداری را ارائه دادند که مقدار ضریب انتقال حرارت جابه جایی بحرانی برای تشکیل شعله پایدار را برحسب ضریب انتقال حرارت رسانشی دیواره مشخص میکرد و نیز نشان دادند در برخی موارد، هنگام خاموشی شعله، جریان و خصوصیات آن به صورت نوسانی خواهد بود. در این بررسی نشان داده شده است که دبی جریان تأثیر بسزایی در پایداری شعله داشته و با افزایش آن پیش گرم کردن سیال توسط دیواره به خوبی انجام نشده و در نتیجه شعله از کانال خارج خواهد شد.
نورتن و همکارانش[11] درکاری دیگر، به بررسی تأثیر نوع سوخت در پایداری شعله پرداختند.
در این تحقیق، بجای متان از سوخت پروپان استفاده شد و نشان داده شد که شعله احتراقی پروپان در محدوده بیشتری از ضریب انتقال حرارت جابهجایی پایدار خواهد بود. کیسر و همکارانش[12] جهت کاهش زمان محاسبات و به منظور بهینهسازی این نوع محفظههای احتراق از مدل یک بعدی به جای مدل دو بعدی استفاده کردند.
آنها در این بررسی دو نوع سوخت متان و پروپان را مورد بررسی قرار داده و اثر ابعاد میکرو محفظه احتراق - طول کانال، ضخامت دیواره و عرض شکاف کانال - ، سرعت جریان، ضریب انتقال حرارت رسانشی دیواره، ضریب انتقال حرارت جابهجایی با محیط و نسبت هم ارزی را بر دو نوع ناپایداری شعله، خاموشی و خروج شعله از کانال بررسی کردند.
زو و همکارانش [13] انتشار ناپایا و شبه پایای شعله پیش مخلوط - پروپان یا متان-هوا - را درون یک نازل همگرا-واگرا در ابعاد مزو به صورت تئوری و آزمایشگاهی مطالعه نمودند. آنها اثر سطح مقطع متغیر و تعامل بین دیواره و شعله بر رژیمهای مختلف شعله و آغاز ناپایداری را بررسی کردند. آنها مشاهده چهار رژیم مختلف برای شعله - شعله پایدار، شعله پیشرونده، شعله روشن و خاموش شونده و شعله چرخشی - را گزارش کردند. مشاهدات آنها نشان داد که تعامل بین دیواره و شعله اثر عدد لویس را افزایش میدهد و باعث میشود که ناپایداری بر اثر نفوذ حرارتی را افزایش دهد.
کوکی و همکارانش[15-14] تحقیقات خود را روی جریان احتراقی گاز سنتز در یک مشعل دایره ای ارائه کردند.گاز سنتز یک ترکیب گازی از هیدروژن، مونواکسید کربن و کربن دی اکسید است. دما و ترکیبات ورودی و همچنین شرایط اولیه با استفاده از داده های آزمایشگاهی شبیه سازی و اعمال گردید. نتایج به دست آمده در این پژوهش با داده های آزمایشگاهی مقایسه و اعتبار سنجی گردید که روند انجام کار در این پژوهش توضیح داده خواهد شد.
-1-3هندسه مسئله و شرایط مرزی
هندسه مورد مطالعه، مطابق شکل - 1 - ، شامل یک لوله مستقیم قرار داده شده در جریان است و سوخت فاز گازی از طریق این لوله با سرعت ورودی 76 متر بر ثانیه تغذیه میشود، درحالی که جریان در خروجی لوله برابر 0/7 متر بر ثانیه است . گاز تغذیه شامل سه ترکیب معمولی از گاز سنتز؛ مونواکسید کربن، هیدروژن و نیتروژن است. در خروجی لوله سوخت مشتعل میگردد. از آنجا که سوخت و واکنشدهنده به صورت مجزا وارد مشعل میشوند، بنابراین این فرآیند به عنوان فرآیند غیر پیش آمیخته معرفی میگردد. واکنش پیوسته این ترکیب مستلزم آن است که سوخت و اکسیدکننده در شرایط استوکیومتری مخلوط شوند.
