31820

تحليل برهمكنش انتقال حرارت تشعشعي و آشفتگي در يك جريان پاششي واكنشي با خواص ترموفيزيكي متغير با دما درون محفظه احتراق مدل توربين گاز

دكتري تخصصي

مهندسي مكانيك-تبديل انرژي

1396

1403/08/07

دكتر فرزاد بازديدي طهراني

-

دانشكده مهندسي مكانيك

برهمكنش ميان آشفتگي و تشعشع حرارتي (TRI) مي‌تواند باعث ايجاد تغييرات قابل توجه بر روي خواص شعله به علت بر همكنش غير خطي شديد بين نوسانات آشفته دما و تركيب شيميايي و به تبع آن، شدت تشعشعي شود. با اين وجود، درك تاثير اين برهمكنش بر روي عوامل مذكور در جريان‌هاي پاششي واكنشي مورد غفلت بوده است. از اين رو هدف از رساله حاضر، بررسي تاثير در نظر گرفتن TRI در دو مقياس حل شده و زيرشبكه بر روي خواص تشعشعي، كميت‌هاي هيدروديناميكي و حرارتي، خواص ترموفيزيكي متغير با دما، غلظت گونه‌هاي شيميايي و آلاينده‌ها در دو نوع رژيم احتراقي مي‌باشد. اين دو رژيم شامل احتراق پيش آميخته جزئي شعله سانديا دي و جريان واكنشي پاششي سوخت فسيلي درون محفظه احتراق مدل مي‌شود. مدل‌سازي آشفتگي با استفاده از رهيافت شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ و اعمال فيلترگيري مكاني و فاور انجام مي‌شود. شبيه‌سازي لزجت گردابه‌اي توسط مدل اسماگورينسكي استاندارد و مدل گردابه‌اي موضعي ديواره تطبيقي صورت مي‌پذيرد. مبناي مدل‌سازي جريان دوفازي ديدگاه اويلري-لاگرانژي مي‌باشد. معادله انتقال حرارت تشعشعي با به كارگيري روش جهات مجزا و مدل همسازه‌هاي كروي حل مي‌شود. جهت ساده‌سازي سهم جذب چشمه حرارت تشعشعي از مدل طيفي تخمين نوسانات نوري نازك بهره گرفته مي‌شود. مدل‌سازي احتراق با استفاده از تابع چگالي احتمال انجام مي‌گردد. به منظور مدل‌سازي تاثير گردابه‌هاي آشفته فاز گاز بر روي حركت قطرات، از مدل حركت تصادفي استفاده مي‌شود. تجزيه عبارات چشمه حرارت تشعشعي بر اساس مدل جهاني تجميع گازهاي خاكستري مي‌باشد. نتايج نشان مي‌دهد در خصوص احتراق پيش آميخته جزئي شعله سانديا دي، در نظر گرفتن TRI در هر دو مقياس حل شده و زيرشبكه موجب افزايش ميانگين چگالي فيلتر شده، به عنوان خاصيت ترموفيزيكي متغير با دما، به ميزان %8/73 مي‌شود. همچنين نوسانات انرژي جنبشي آشفتگي (TKE) در هر دو مقياس مذكور به طور محسوسي از سهم‌هاي TRI متاثر مي‌شود، به طوري كه در نظر گرفتن TRI به صورت ميانگين باعث كاهش TKE به ميزان %13/87 مي‌شود. بعلاوه، مقدار انحراف ميانگين غلظت آلاينده مونوكسيد نيتروژن (NO) در مقايسه با داده‌هاي آزمايشگاهي از %20/27 در غياب TRI به %2/73 در حضور TRI كاهش مي‌يابد. در ارتباط با جريان پاششي واكنشي درون محفظه احتراق مدل، اعمال TRI در مقياس زيرشبكه موجب كاهش ميانگين جذر مجموع مربعات دما به ميزان %12/75 مي‌شود. در نظر گرفتن TRI موجب بالا رفتن ظرفيت گرمايي حجمي قطرات سوخت به ميزان %4/50 و به تبع آن تسهيل در افزايش دماي قطرات و رسيدن آن‌ها به نقطه جوش طي فرايند گرمايش مي‌شود. در ارتباط با گونه‌ها، احتساب سهم‌هاي TRI موجب افزايش ميانگين %8/56 گونه CO2 بر روي محور محفظه احتراق مي‌گردد. همچنين نتايج حاكي از آن است كه در نظر گرفتن TRI باعث كاهش ضريب الگو و مقادير آلاينده‌ها در خروجي محفظه احتراق مدل مي‌شود.

1403/10/04

Analysis of Turbulence-Radiation Interactions in a Reactive Spraying Flow with Temperature-Dependent Thermophysical Properties within a Gas Turbine Model Combustor

10/28/2025 12:00:00 AM

The turbulence-radiation interactions (TRI) can lead to significant changes in flame properties due to the intensive nonlinear interaction between turbulent temperature fluctuations and chemical composition, and consequently, radiative intensity. However, understanding the impact of this interaction on the aforementioned factors in reactive spray flows has been overlooked. Therefore, the purpose of the present dissertation is to investigate the impact of considering TRI at both resolved and sub-grid scales on radiative properties, hydrodynamic and thermal quantities, temperature-dependent thermophysical properties, and the concentration of chemical species and pollutants in two types of combustion regimes. These two regimes include partially premixed combustion of Sandia flame D and reactive spray combustion of fossil fuel within a model combustion chamber. Turbulence modeling is carried out using the large eddy simulation (LES) approach and applying spatial and Favre filtering. Eddy viscosity simulation is performed using the standard Smagorinsky model and the wall-adapting local eddy-viscosity (WALE) model. The basis for two-phase flow modeling is the Eulerian-Lagrangian approach. The radiative heat transfer equation is solved using the discrete ordinates method (DOM) and the spherical harmonics (PN) method. To simplify the absorption term in the radiative heat source, the optically thin fluctuation approximation (OTFA) spectral model is used. Combustion modeling is performed using the probability density function (PDF) approach. To model the impact of gas-phase turbulent eddies on droplet motion, the random walk model is employed. The decomposition of the radiative heat source term is based on the global weighted-sum-of-gray-gases (WSGG) model. Results show that for the partially premixed combustion of Sandia flame D, considering TRI at both resolved and sub-grid scales leads to an average increase in the filtered density, as a temperature-dependent thermophysical property, by 8.73%. Moreover, turbulence kinetic energy (TKE) fluctuations at both mentioned scales are significantly affected by TRI contributions, such that considering TRI results in an average reduction of TKE by 13.87%. Additionally, the mean deviation (MD) of nitrogen monoxide (NO) pollutant concentration compared to experimental data decreases from 20.27% in the absence of TRI to 2.73% in the presence of TRI. For the reactive spray flow within the model combustion chamber, applying TRI at the sub-grid scale leads to a reduction in the root mean square (RMS) of the temperature by 12.75%. Conversely, considering TRI increases the volumetric heat capacity of fuel droplets by 4.50%, thereby facilitating an increase in droplet temperature and reaching the boiling point during the heating process. Regarding the species, accounting for TRI contributions results in an 8.56% increase in the average concentration of CO₂ along the combustion chamber axis. The results also indicate that considering TRI reduces the pattern factor and pollutant levels at the outlet of the model combustion chamber.

برهمكنش آشفتگي-تشعشع حرارتي , شبيه‌سازي گردابه‌هاي بزرگ , مقياس زيرشبكه , احتراق پاششي سوخت مايع , احتراق پيش آميخته جزئي

Turbulence-Radiation Interaction , Large Eddy Simulation , Sub-Grid Scale , Liquid Fuel Spray Combustion , Partially Premixed Combustion

Mehdi Ghiyasi

Dr. Farzad Bazdidi-Tehrani