شماره ركورد
14563
شماره راهنما(اين فيلد مربوط به كارشناس ميباشد لطفا آن را خالي بگذاريد)
14563
پديد آورنده
علي اسماعيلنژاد
عنوان
مدلسازي انتشار شعله ابرِذرات در جريان متقابل
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي
رشته تحصيلي
تبديل انرژي
سال تحصيل
تير ماه 1394
تاريخ دفاع
تير ماه 1394
استاد راهنما
دكتر مهدي بيدآبادي
دانشكده
مكانيك
چكيده
چكيده
احتراق جريان متقابل اشاره به فناوري احتراقي دارد كه ميتواند در سيستمهاي حرارتي شامل كورههاي عمليات حرارتي صنايع فولاد و آلومينيوم، صنايع شيميايي، كورههاي صنايع نفت، گاز و پتروشيمي و انواع بويلرهاي صنعتي و تجاري كه در آنها فرآيند احتراق انجام ميگيرد، به منظور كاهش حجم سيستم مورد استفاده قرار گيرد. در اين نوع احتراق، سوخت و اكسيدكننده از دو نازل روبروي هم و به صورت عمود بر هم در محفظه اختلاط پاشيده شده و فرآيند احتراق و توليد انرژي صورت ميگيرد. در احتراق جريان متقابل، در خط مركزي نازلها، تغييرات سرعت در جهت محوري قابل توجه ميباشد و به دليل عدم وجود مرز جامد در اين پيكرهبندي، اتلاف حرارت مستقيم از ناحيه شعله به سطوح ديگر از طريق تشعشع روي ميدهد. مزيت ديگر، امكان كنترل و مطالعه اثرات مختلف جريان و پارامترهاي احتراقي و خصوصاً اثر كشيدگي جريان بر ساختار شعله است. همچنين ميتوان از اين پيكرهبندي براي بررسي اثر نوع سوخت، نسبت همارزي و نوسانات اجباري بر روي پديده خاموشي شعله استفاده نمود.
در اين رساله ابتدا مسائل مربوط به احتراق ذرات ارگانيك و تفاوتهاي ترموفيزيكي و احتراقي سوختهاي جامد و گازي شكل بررسي و سپس احتراق جريان متقابل سوختهاي گازي مرور شده است. از آنجا كه در زمينه احتراق جريان متقابل، خصوصاً در ابر ذراتِ جامد مطالعهاي صورت نپذيرفته است در اين رساله با توجه به اهميت موضوع مذكور مدلسازي جديد رياضي ارائه ميگردد كه در برگيرنده انتشار شعله از ميانِ پيشمخلوطِ ذرات سوخت ارگانيك با توزيع يكنواخت و هوا در پيكرهبندي جريان متقابل باشد. اين مطالعه تحليلي در چارچوب يك مدل پيشمخلوط با فرض عدد لوئيس غير واحد و در نظر گرفتن اثرات مختلف همچون تشعشع حرارتي، اتلاف حرارتي، تخلخل و اختلاف دماي ذره و گاز و همچنين درنظرگرفتن نيروي ترموفورتيك ارائه ميگردد.
در مدلسازي ارائه شده در اين رساله، ابتدا در فصل سوم معادلات مربوط به شعله آرام ذرات ارگانيك در هندسه جريان متقابل در سه ناحيه پيشگرم-تبخير، واكنش و پس از شعله نوشته شده و سپس با استفاده از روش بيبعدسازي و اعمال پارامترهاي بيبعد، معادلات لازم در هر ناحيه با درنظر گرفتن اثرات تخلخل ذره و اختلاف دماي ذره و گاز بيبعد ميشوند. در نهايت معادلات حاكم و شرايط مرزي بيبعدشده حل ميشوند و مدلي اوليه جهت تبيين توزيع كسر جرميسوختهاي فاز جامد و گازي حاصل و دما و همچنين سرعت سوزش ارائه ميگردد.
در فصل چهارم مدلي براي انتشار شعله آرام پيش مخلوط ابر ذرات ارگانيك در پيكرهبندي جريان متقابل ارائه ميشود كه در اين مدل براي اولين بار ساختار شعله به چهار ناحيه؛ پيشگرم، ناحيه تبخير ذرات، ناحيه نازك حدي واكنش و ناحيه پس از واكنش با درنظر گرفتن اثر تشعشع حرارتي منتشرشده، تقسيم شده است. در مقايسه با مدل سه ناحيهاي قبلي نيز نرخ جديدي براي تبخير ذرات ارگانيك ارائه شده است. مدل تحليلي ارائه شده در اين بخش به مدل واقعي ابر ذرات ارگانيك بهدليل در نظرگرفتن اثرات ترم تشعشع حرارتي نزديكتر ميباشد. تمركز اصلي اين مدل بر نقش پارامترهاي تشعشعي، اعداد بيبعد لوئيس و دامكولر كرنش و تبخير بر انتشار شعله پيش مخلوط آرام جريان متقابل از ميان ابر ذرات ارگانيك ميباشد. با استفاده از پارامترهاي بيبعد، معادلات لازم در هر ناحيه بيبعد و حل ميشوند. سيستم معادلات حاكم با درنظرگرفتن اثرات واقعي جريان با جبهة شعله جريان متقابل بازنويسي و پارامترهاي احتراقي در آنها ايجاد ميشود و سرعت سوزش ابر ذرات در احتراق جريان متقابل توصيف ميگردد. مقايسه نتايج به دست آمده براي سرعت سوزش با نتايج ديگر پژوهشگران تطابق قابل قبولي را نشان ميدهد.
در ادامه مدلي براي انتشار شعله آرام پيش مخلوط از ميان ابر ذرات ارگانيك با اعمال ترم اتلاف حراتي ارائه ميگردد و سرعت سوزش براي حالتي كه اثرات اتلاف حرارتي درنظر گرفته شده است با حالت تشعشع حرارتي درنظر گرفته شده مقايسه گرديده است.
در ادامه و در فصل ششم، اثر نيروي ترموفورتيك در پيكرهبندي جريان متقابل در احتراق ابر ذرات ارگانيك حاوي ميكرو ذرات به صورت تئوري بررسي شده است. بدين منظور معادلات بقاي كسر جرمي و انرژي در نواحي مربوطه با منظوركردن اثرات نيروي ترموفورتيك ذرات به دست آورده شده و با حل اين معادلات، اثرات مذكور بررسي گرديدهاند.
در فصل پاياني نيز نتيجهگيري كلي از نقش پارامترهاي موثر بر احتراق ذرات در پيكرهبندي جريان احتراق از قبيل اعداد بيبعد دامكولر تبخير و دامكولر كرنش و لوئيس، اختلاف دماي بين گاز و ذره، شعاع ذرات، تشعشع حرارتي، تخلخل ذرات، تلفات حرارتي، سرعت سوزش، نيروي ترموفورتيك، دماي شعله، توزيع كسر جرميسوختهاي گازي حاصل از تبخير ذرات ارگانيك و ذرات سوخت جامد ارگانيك ارائه گرديده و در انتها نيز ضمن بيان نوآوريهاي رساله، پيشنهاداتي براي كارهاي آينده ارائه ميشود.
واژههاي كليدي: احتراق، مدلسازي رياضي، شعله جريان متقابل، ابرِذرات