12879

12879

بررسي ساختار شعله در مشعل غير‌پيش‌آميخته با استفاده از شبيه‌سازي CFD

دكتري

مهندسي شيمي

بهمن ماه 1392

بهمن ماه 1392

دكتر محمدتقي صادقي

دكتر رحمت ستوده قره‌باغ

چكيده در اين رساله، ساختار شعله جت در مشعل غير‌پيش‌آميخته و پارامترهاي موثر بر آن با استفاده از روش ديناميك سيالات محاسباتي (CFD) مورد تجزيه و تحليل قرار گرفته است. شعله مورد مطالعه به‌صورت برخاسته و داراي سرعت بالاي جت سوخت و نرخ كرنش بالا مي‌باشد كه جهت پايدارسازي آن از اختلاط محصولات احتراقي داغ با واكنشگرهاي ورودي استفاده شده است. اين شعله داراي كاربرد صنعتي فراواني است و شناخت ساختار آن از نقطه نظر انتخاب مدلهاي متناسب با فيزيك حاكم بر شعله، شناسايي نقاط ضعف مدلهاي موجود، ساده‌سازي ديدگاه عددي و درنتيجه كاهش هزينه محاسباتي حائز اهميت مي‌باشد. تاكنون تحقيقات محدود و اندكي در خصوص ساختار و ويژگي‌ هاي اين شعله صورت‌گرفته و عمده تحقيقات انجام‌شده بر قابليت و توانايي مدلها و ديدگاههاي عددي تاكيد داشته‌ است. به‌منظور بررسي ساختار شعله، ابتداً شبيه‌سازي‌ با استفاده از ديدگاه معادله انتقال تابع دانسيته احتمال (PDF) و مكانيزم شيميايي تفضيلي انجام و نتايج عددي با داده‌هاي تجربي مقايسه و توافق خوبي مشاهده شد. ساختار شعله با استفاده از بررسي عبارت‌هاي نفوذ، جابجايي و واكنش در معادله انتقال جرم مورد تجزيه و تحليل قرار گرفت و سپس براساس اهميت هر يك از عبارتهاي معادله انتقال جرم، ساده سازي و ارائه مدل انجام گرديد. نتايج بدست‌آمده از اين تجزيه و تحليل حاكي از آن است كه ساختار شعله به‌شدت وابسته به ترم واكنش مي‌باشد و علي‌رغم استفاده از شعله غير‌پيش‌آميخته، تاثير فرآيند نفوذ بسيار كم است. با‌توجه به نقش كليدي واكنش در ساختار شعله، تاثير هر يك از واكنش‌هاي بنيادي موثر با استفاده از آناليز سرعت واكنش‌ها مورد بررسي قرار گرفت. نتايج ضمن نشان‌دادن واكنش‌هاي موثر، منجر به شناسايي پديده‌خوداشتعالي به‌عنوان مكانيزم پايدارسازي شعله گرديد. در ادامه، به‌منظور شناخت متغيرهاي موثر بر شعله و توسعه بررسيها در تمامي شرايط عملياتي، آناليز حساسيت نسبت به دما و غلظت محصولات داغ احتراقي صورت گرفت كه بر اساس آن، دما داراي تاثير بسيار شديدي بر ساختار شعله است، بگونه‌اي‌كه تغيير يك درصد در مقادير دما مي‌تواند منجر به تغيير ارتفاع برخاستگي تا دو برابر شود. همچنين تغيير غلظت‌هاي اكسيژن و آب به مقدار 50 درصد نشان ‌داد كه تغييراتي در حدود 40 درصد در ارتفاع برخاستگي رخ مي‌دهد. به منظور تجزيه و تحليل اين رفتار، آناليز سرعت واكنش‌ها انجام و مشخص شد كه حساسيت شديد ارتفاع برخاستگي به دماي محصولات احتراقي ناشي از تغيير سينتيك شيميايي حاكم بر شعله است و تغيير غلظت‌هاي آب و اكسيژن، تاثير چنداني بر سنتيك شيميايي ندارد. در نهايت با توجه به بررسي‌هاي سينتيكي صورت گرفته، يك مكانيزم شيميايي ساده‌شده 13 مرحله‌اي با هزينه محاسباتي پايين ارائه شد. بررسي عملكرد اين مكانيزم شيميايي در مقايسه با مكانيزم تفضيلي در يك شعله جت برخاسته در جريان همسو نشان داد كه ارتفاع برخاستگي با خطاي كمتر از يك درصد توسط مكانيزم ساده‌شده پيش‌بيني مي‌شود. اين درحالي است كه مكانيزم ارائه شده توسط محققان ديگر داراي خطايي درحدود 30 درصد نسبت به مكانيزم تفضيلي است. واژه‌هاي كليدي: شعله غير‌پيش‌آميخته، پايدارسازي، شبيه‌سازي CFD، ساختار شعله، مكانيزم شيميايي ساده‌شده (كاهش‌يافته)