بررسي عددي ناپايداري‌هاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق در مخلوط‌هاي متان و هيدروژن با استفاده از LES-FGM

اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان

مهندسي مكانيك

كارشناسي ارشد

ناپايداري‌هاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق، همچنان به عنوان يكي از چالش‌برانگيزترين مسائل در طراحي و بهره‌برداري سامانه‌هاي احتراقي رقيق و داراي آلايندگي پايين به شمار مي‌رود. جفت‌شدگي غيرخطي نوسان‌هاي فشار و نرخ آزادسازي گرما، انعطاف‌پذيري عملياتي و شرايط بهره‌برداري تجهيز را به شدت محدود نموده و انواع آسيب‌ها و خستگي‌هاي سازه‌اي را به محفظه احتراق تحميل مي‌كند. عليرغم پژوهش‌هاي گسترده پيشين در زمينه پاسخ اجباري شعله‌هاي پيش‌آميخته، مكانيزم‌هاي حاكم بر آغاز، رشد و تبديل به يك نوسان ميرا شده، تشديد شده و يا چرخه-محدود در پاسخ خودتحريك شعله نيمه‌پيش‌آميخته بسيار رقيق همچنان به طور كامل شناخته نشده است. اين پژوهش، يك مطالعه عددي جامع و پرجزئيات از ناپايداري‌هاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق در شعله‌هاي نيمه‌پيش‌آميخته پايدارشده با چرخش انجام شده با شبيه‌سازي گردابه بزرگ واكنشي (LES) و مدل‌سازي احتراقي پيشرفته منيفولد به دست آمده از فليملت (FGM) مبتني بر مكانيزم‌هاي شيميايي GRI 3.0 و UCSD 2016 ارائه مي‌دهد و جفت‌شدگي دقيق ميان ساختارهاي منسجم آشفتگي، ديناميك شعله و بازخوردهاي آكوستيكي را در شرايط عملياتي رقيق و بسيار رقيق مورد مطالعه قرار مي‌دهد. مطالعه عددي انجام شده بر پايه يك شبكه عددي بسيار دقيق و داراي 70 ميليون سلول محاسباتي، پايگاه داده تابع چگالي احتمال مشترك با تفكيك بسيار بالاي شرايط مختلف واكنشي داراي توزيع‌هاي از پيش فرض‌شده بتا و گاوسي، شرايط مرزي غيربازتاب كننده و انتقال حرارت مزدوج از مرز ديواره‌ها با ناحيه تخليه آكوستيك استوار است. در اين پژوهش، اهداف كلي تبيين مكانيزم‌هاي ناپايداري، بررسي اثر اضافه نمودن هيدروژن بر توپولوژي شعله، آشكارسازي مود نوساني و مطالعه تكامل فازي چرخه-محدود ناپايداري دنبال گرديد. در ابتدا، شعله‌هاي متان در نسبت‌هاي هم‌ارزي 7/0 و 55/0 با عدد رينولدز ورودي به محفظه احتراق ثابت 10,000 مطالعه شد و نتايج عددي به دست آمده، تطابق بسيار خوبي با نتايج آزمايشگاهي گزارش شده داشتند؛ به طوري كه شبيه‌سازي گردابه بزرگ واكنشي، دامنه و فركانس نوسان‌هاي جفت‌شده فشار و نرخ آزادسازي گرما با دقت بسيار بالايي محاسبه نمود. اعتبارسنجي جامع صورت گرفته به وسيله مقايسه محتواي‌ فركانسي نوسان‌هاي عددي و نوسان‌هاي تجربي گزارش شده از سري‌هاي زماني فشار و نورافشاني شيميايي راديكال هيدروكسيل OH* انجام شده است و بالاترين ميزان خطاي 10% و 28% به ترتيب در پيش‌بيني فركانس (117 هرتز عددي در مقايسه 131 هرتز تجربي) و دامنه نوسان (7/4 پاسكال عددي در مقايسه 6/6 پاسكال تجربي) مشاهده شد. نتايج مربوط به احتراق متان خالص حاكي از تغيير مود ناپايداري از يك نوسان فركانس‌بالاي كم‌دامنه (حدود 117 هرتز / 7/4 پاسكال در LES–FGM و 131 هرتز / 6/6 پاسكال در آزمايش) به يك نوسان فركانس‌پايين دامنه‌بالا (حدود 87 هرتز / 51 پاسكال در LES–FGM و 91 هرتز / 61 پاسكال در آزمايش) بود. بررسي تكامل فازي ميدان‌هاي اين دو فرايند احتراقي نشان مي‌دهد كه نوسان‌هاي موضعي نسبت هم‌ارزي، برهم‌كنش گردابه و شعله در ناحيه اختلاط، تغيير در فعاليت هسته گردابه تقديمي و هسته گردابه مارپيچي به عنوان محرك‌هاي اصلي رشد ناپايداري عمل مي‌نمايند. در قسمت دوم پژوهش، تحليل عددي بر مخلوط‌هاي متان و هيدروژن در درصدهاي مولي 10% و 25% متمركز شده و تأثير اضافه نمودن هيدروژن به عنوان يكي از اصلي‌ترين راهكارهاي دستيبابي به احتراق سبز و مديريت ناپايداري‌هاي ترموآكوستيكي از طريق افزايش واكنش پذيري، تسريع پيشروي شعله و گشترش محوده اشتعال پذيري مورد مطالعه قرار مي‌گيرد. نتايج عددي نشان مي‌دهند كه اضافه نمودن هيدروژن به طور چشم‌گيري توپولوژي شعله و مكانيزم لنگراندازي آن را تغيير مي‌دهد؛ به گونه‌اي كه شعله‌اي فشرده‌تر، داراي چين‌خوردگي بيشتر و ناحيه واكنشي نازك‌تر مشاهده مي‌شود.

238272

تبديل انرژي

مهندسي مكانيك

دانشگاه صنعتي اصفهان