27195

شبيه سازي عددي احتراق در محيط متخلخل با رويكرد مقياس حفره و مقايسه نتايج آن با احتراق شعله آزاد

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك

1400-1401

1401/06/20

آيت قره قاني - مجيد سياوشي

مهندسي مكانيك

هدف از مطالعه عددي حاضر بررسي و مقايسه بين احتراق در محيط متخلخل با احتراق شعله آزاد است. به همين منظور از يك محفظه احتراق دو بعدي براي هر دو سيستم احتراقي استفاده شده است. تاثير پارامترهايي همچون سرعت و دماي ورودي، نسبت هم ارزي و همچنين ضريب تخلخل محفظه احتراق بر روي موقعيت و دماي ماكزيمم شعله، انتشار آلاينده NO و راندمان احتراق مورد بررسي قرار گرفته است. با توجه به برابر نبودن دماي گلوله هاي جامد و گاز محترق از مدل دو دمايي استفاده شده است كه با استفاده از توابع تعريف شده توسط كاربر و اسكالر تعريف شده توسط كاربر ، در نرم افزار انسيس فلوئنت فراخواني مي شوند. از مدل تشعشعي DO و همچنين از مدل نرخ محدود/ اتلاف گردابي در تعامل شيمي-آشفتگي استفاده شده است. جريان در هر دو سيستم احتراقي آشفته مي باشد و از مدل Standard k-ε به منظور حل معادلات آشفتگي استفاده شده است. نتايج بدست آمده نشان مي دهند كه با استفاده از محيط متخلخل مي توان در طول محفظه احتراق صرفه جويي كرد و از محفظه احتراق هاي با طول كوچك تر استفاده كرد. طول محفظه احتراقي كه براي شعله آزاد استفاده شد تا بتواند عملكردي مشابه با احتراق در محيط متخلخل در شرايط يكسان داشته باشد، سه برابر طول محفظه احتراقي بود كه در احتراق در محيط متخلخل استفاده شده است. همچنين مشاهده شد كه در تمامي شرايط بررسي شده، راندمان احتراق در سيستم متخلخل به جز زمانيكه 1 < φ مي باشد، برابر با %100 است. در حاليكه احتراق شعله آزاد تنها در شرايطي كه سرعت مخلوط ورودي كم و دماي ورودي آن بالا باشد، در برخي نسبت هم ارزي ها داراي راندمان احتراق %100 است و در ساير شرايط راندمان احتراقش كمتر از %100 مي باشد. افزايش تخلخل محفظه احتراق و افزايش سرعت ورودي باعث كاهش و افزايش دماي ورودي باعث افزايش راندمان احتراق مي شود. در مقايسه كمترين راندمان هاي احتراقي بدست آمده از هر دو سيستم، راندمان احتراقي محفظه احتراق متخلخل %0.41 بيشتر از راندمان احتراق شعله آزاد بود. به اين معنا كه استفاده از محيط متخلخل با كاهش در كسر جرمي كربن مونوكسيد همراه است. استفاده از مشعل متخلخل در بدترين شرايط باعث مي شود تا % 1.27 پروپان كمتري محفظه احتراق را به صورت سوخته نشده ترك كند. در مقايسه كسر جرمي آلاينده NO گزارش شده از هر دو سيستم، اين اختلاف بيشتر هم مي شود. در صورت استفاده از احتراق شعله آزاد تا %93.35 آلاينده بيشتري توليد خواهد شد. همچنين مشاهده شد كه در تمام ضريب تخلخل ها، دماي ماكزيمم شعله بيشتر از دماي متناظرش در احتراق شعله آزاد است كه نشان دهنده سوپرآديابتيك بودن شعله مي¬باشد.

1401/07/30

Pore-scale numerical simulation of combustion in porous media and comparing its results with free flame combustion

9/11/2023 12:00:00 AM

The purpose of the present numerical study is to investigate and compare porous media combustion with free flame combustion. For this purpose, a two-dimensional combustion chamber has been used for both combustion systems. The effect of parameters such as inlet velocity and temperature, equivalence ratio, as well as the porosity coefficient of the combustion chamber on the position and maximum temperature of the flame, emission of NO pollutant and combustion efficiency has been investigated. Due to the non-equal temperature of solid pellets and gas, a two-temperature model has been used, which are compiled in ANSYS Fluent software using user-defined functions and user-defined scalars. The DO model for radiation and Finite rate/Eddy dissipation model for turbulence-chemistry interaction was used. The flow in both combustion systems is turbulent and Standard k-ε model has been used to solve the turbulence equations. The obtained results show that by using a porous medium, the length of the combustion chamber can be saved and combustion chambers with a smaller length can be used. The length of the combustion chamber that was used for the free flame simulation, in order to have the same performance as the combustion occurred in the porous medium under the same condition, was three times the length of the combustion chamber that was used in PMC. It was also observed that in all investigated conditions, the combustion efficiency in PMC is equal to 100%, except when φ > 1. While for free flame case the combustion efficiency, in some equivalence ratios, is equal to 100% if the inlet mixture velocity is low and its temperature is high and in other conditions its combustion efficiency is less than 100%. Increasing the porosity of the combustion chamber reduces the combustion efficiency. In the comparison of the lowest combustion efficiencies obtained from both systems, the combustion efficiency of PMC was 0.41% higher than the combustion efficiency of the free flame. In other words, the use of porous burners is associated with a decrease in the mass fraction of carbon monoxide. The use of porous media in the worst conditions causes 1.27% less propane to leave the combustion chamber unburned. When comparing the mass fraction of NO pollutant reported from both systems, this difference increases. If free flame combustion is used, up to 93.35% more pollutants will be produced. It was also observed that in all porosity coefficients, the maximum flame temperature is higher than its corresponding temperature in free flame combustion, which indicates that the flame is in superadiabatic condition.

احتراق در محيط متخلخل , شعله سوپرآدياباتيك , انتشار آلاينده NO , راندمان احتراق , احتراق شعله آزاد

Porous media combustion , Superadiabatic flame , Emission of pollutant NO , Combustion efficiency , Free flame combustion

MIlad Ramezankhani

Ayat Gharehghani - Majid Siavashi