شبيه سازي عددي اندركنش امواج صوتي و شعله هاي آرام و آشفته

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

دكتري

ناپايداري ترموآكوستيك، به ناپايداري احتراق حاصل از اندركنش امواج صوتي و شعله اطلاق مي شود، كه مي¬تواند منجر به خاموشي شعله در مشعل¬ها و محفظه¬ي احتراق و تخريب تجهيزات شود. بررسي فيزيك حاكم بر اين مسئله و عوامل موثر در كنترل ناپايداري شعله، حائز اهميت است. در پژوهش حاضر، اندركنش شعله و امواج آكوستيك هم براي شعله¬ي آرام و هم براي شعله¬ي آشفته مورد بررسي قرار گرفته است. ابتدا شعله¬ي پيش آميخته¬ي آرام متان-هوا به¬صورت يك بعدي و امواج صوتي با فركانس 50 الي 50000 هرتز در نظر گرفته شده است. معادلات بقاي جرم، مومنتوم، انرژي، انتقال گونه¬هاي شيميايي، معادله¬ي حالت در فضاي يك بعدي حل شده است. مكانيزم¬هاي مختلف GRI و كاهش يافته¬ي آن براي به¬دست آوردن شعله¬ي پاياي بدون امواج صوتي و شعله¬ي ناپايا با اندركنش امواج صوتي در نظر گرفته شده است. نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل براي شعله برحسب فركانس امواج صوتي تغيير مي¬كند، به¬صورتي كه ابتدا روندي افزايشي و سپس كاهشي دارد. نتايج به¬دست آمده براي نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل، با نتايج محققان ديگر مطابقت خوبي دارد. نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل، متاثر از نرخ گرماي آزاد شده¬ي گونه¬هاي مختلف شيميايي است. بنابراين در پژوهش حاضر، اثر هر كدام از گونه¬هاي شيميايي بر نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به معيار ناپايداري رايلي و نتايج پژوهش حاضر، گونه¬هاي شيميايي H2O، CO2 و O2 بيشترين سهم در نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل را داشته و موجب ناپايداري شعله مي¬شوند. از ميان سه گونه شيميايي ذكر شده، گونه H2O بيشترين تاثير را در نرخ گرماي آزاد شده¬ي كل دارد و مكانيزم شيميايي مناسب براي مسئله-ي اندركنش شعله و امواج صوتي، مكانيزمي است كه توانايي بهتري در تخمين صحيح نرخ واكنش و غلظت H2O داشته باشد. مسئله¬ي اندركنش امواج صوتي با شعله¬ي آشفته نيز در پژوهش حاضر بررسي شده است. معادلات ناوير استوكس به همراه معادلات مدل ¬پيش-آميخته¬ي جزئي با شبيه¬سازي گردابه¬ي بزرگ انجام شده است. نتايج نشان مي¬دهد با افزايش دامنه¬ي امواج صوتي تا حدود 65 درصد، دامنه¬ي نرخ گرماي آزاد شده در فركانس 40 و 160 هرتز حدود 70 درصد افزايش مي¬يابد. تغيير دامنه¬ي نرخ گرماي آزاد شده با دامنه-ي امواج صوتي در فركانس امواج صوتي 40 هرتز، رفتار خطي و در فركانس 160 هرتز ابتدا رفتار خطي و سپس رفتار غيرخطي دارد. تا هنگامي كه گردابه¬ي بزرگي در لايه¬ي برشي تشكيل نشود، رفتار نرخ گرماي آزاد شده با دامنه¬ي امواج صوتي، خطي است، ولي با تشكيل گردابه¬هاي¬ بزرگ در فركانس 160 هرتز، رفتار غير خطي مي¬شود. در اثر اندركنش شعله و امواج صوتي با دامنه¬ي بالا و فركانس هم مرتبه با فركانس گردابه¬هاي لايه¬ي برشي، شعله¬ي قارچي شكل شده و باعث غير خطي شدن رفتار دامنه¬ي نرخ گرماي آزاد شده مي-شود. در ناحيه¬ي غيرخطي، اثر خواص سيال و مقياس زماني مسئله، حائز اهميت است. متغير بودن خواص سيال شامل لزجت و رسانندگي گرمايي با دما در ناحيه¬ي خطي، تاثير اندك و در ناحيه¬ي غيرخطي تاثير قابل توجه در نتايج دارد. همچنين مقياس زماني احتراقي از مرتبه 〖10〗^(-5) ثانيه، كوچكترين مقياس زماني مسئله بوده و براي حصول نتايج با دقت بالا، نياز است گام زماني حداقل يك مرتبه كوچكتر از مقياس زماني احتراقي انتخاب شود.

223538

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان