سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی تأثیر نوسانات نسبت جرمی بر ساختار شعلة نفوذی آرام

نویسندگان
فرهاد فتحیه
علی خصوصی
محمد فرشچی
اکبر غفوریان مرشد
قطب علمی سامانه‌های هوافضایی،دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران،ایران
چکیده
در این مقاله پاسخ ناپایای شعله نفوذی آرام به نوسانات هارمونیک نسبت جرمی بررسی شده است. مدل ریاضی صفحه شعله برای شعله نفوذی آرام، ناپایا، دوبعدی و متقارن درون کانال در نظر گرفته شده است. جریان زیر صوت، غیرلزج و یکنواخت فرض شده است. معادله جابه­ جایی- نفوذی برای متغیر جرمی بقایی با شرایط مرزی مناسب حل شده و با فرض سطح نسبت اختلاط استوکیومتری به‌عنوان سطح شعله مکان هندسی شعله به‌دست آمده است. با فرض عدم عبور ذرات نسوخته از سطح شعله و ضریب نفوذ جرمی ثابت، می‌توان نرخ آزادشدن انرژی گرمایی را متناسب با سطح شعله درنظر گرفت. این روش، برای نخستین ­بار، در کار حاضر در شعله‌های نفوذی به‌کار برده شده است. تابع پاسخ شعله نفوذی در قالب نوسانات نرخ آزاد شدن انرژی گرمایی نسبت به نوسانات نسبت جرمی سوخت به‌دست آمده است. برای هر عدد پکلت، حوزه تواتری به سه ناحیه نفوذی، جابه­ جایی-نفوذی و جابه­ جایی تقسیم شده است. نتایج نشان میدهند که با افزایش تواتر به تواترهای ناحیه جابه ­جایی اندازه تابع پاسخ کاهش می‌یابد، ولی تاخیر فاز به مقدار ثابتی میل می‌کند. با افزایش عدد پکلت، اندازه تابع پاسخ در ناحیه تواترهای نفوذی و جابه ­جایی- نفوذی افزایش می‌یابد درحالی‌که در ناحیه جابه ­جایی تغیر چندانی ندارد.

تازه های تحقیق

در این مقاله، شعله نفوذی آرام ناپایای دوبعدی در هندسه برک-شومان با  نوسانات نسبت جرمی سوخت به‌صورت تحلیلی مدلسازی شده است. به این منظور، معادله جابه­جایی-نفوذی با فرضیاتی ساده­کننده حل شده است. با فرض اینکه سطح استوکیومتری محل شعله است، سطح شعله نیز به‌دست آمده است. با درنظرگرفتن نرخ آزادشدن انرژی گرمایی متناسب با مساحت سطح شعله، تابع تبدیل نرخ آزادشدن انرژی گرمایی به­ازای نوسانات نسبت جرمی سوخت حاصل شده است. نوسانات نسبت جرمی سوخت به پیدایش دو ناحیه کم‌تراکم و پرتراکم می‌انجامد که با سرعت جریان در میدان پیشروی می‌کند. تاثیر وجود این دو ناحیه به‌صورت چین‌خوردگی بر سطح شعله دیده می‌شود. پارگی شعله به ازبین­رفتن نواحی کم‌تراکم و باقی­ماندن نواحی پرتراکم مجاور اطلاق می‌شود. این پدیده، برای هر عدد پکلت، به دامنه و تواتر تحریک بستگی دارد، به‌طوری­که، در تواتر‌های کمتر از تواتر مشخصه جریان، با افزایش دامنه اغتشاشات می‌توان پارگی شعله را مشاهده کرد. همچنین، افزایش دامنه و یا کاهش تواتر می‌تواند منجر به برخورد ناحیه پرتراکم به دیواره‌ها و تشکیل شعله کم‌هوا ‌شود.

با تقسیم حوزه تواتر به سه ناحیه، الگوی مشخصی برای پاسخ شعله و نرخ آزادشدن انرژی گرمایی مشاهده می‌شود. در ناحیه جابه­جایی، برای هر دو مود اول و دوم، اندازه تابع تبدیل به صفر میل کرده و همچنین اختلاف فاز نیز به مقداری ثابت میل می‌کند. در ناحیه نفوذی، شعله رفتاری شبه­پایا نشان می‌دهد و پاسخ نوسانات نرخ آزادشدن انرژی گرمایی با افزایش دامنه اختلالات افزایش می‌یابد. در ناحیه جابه­جایی-نفوذی نیز اختلاف فاز رفتار نوسانی از خود نمایش می‌دهد. مشاهده شد که با افزایش عدد پکلت اندازه تابع تبدیل افزایش می‌یابد. نتایج به‌دست­آمده در مقایسه با پژوهش‌های گذشته از انطباق قابل قبولی برخوردار است[11]. به منظور گسترش کار حاضر، می‌توان شکل مقطع سرعت را غیریکنواخت و نوسانات نسبت جرمی اکسیدکننده را نیز در نظر گرفت. بدین­ترتیب امکان شناخت بیشتر احتراق شعله‌های نفوذی میسر می‌شود.

کلیدواژه‌ها
شعله نفوذی
نسبت جرمی
ساختار شعله
نرخ آزادشدن انرژی گرمایی
تواتر تحریک

عنوان مقاله English

Study of Mass Fraction Oscillation Effects on the Laminar Diffusion Flame Structure

نویسندگان English

Farhad Fathieh
Ali Khosousi
Mohammad Farshchi
Akbar Ghafourian Morshed
Scientific Center of Aerospace Systems, Faculty of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this work, the unsteady response of a laminar diffusion flame to harmonic mass fraction oscillations is investigated. Flame-sheet assumption is utilized to model the laminar unsteady two-dimensional co-flow diffusion flame. The flow is assumed to be subsonic, inviscid, and uniform. The convection-diffusion equation for conserved scalar with appropriate boundary conditions is solved. Considering the stoichiometric mass fraction surface to be the flame surface, it is possible to obtain the flame zone. Assuming that unburnt species cannot pass across the flame surface and that the diffusion coefficient is constant, heat release rate can be related to the flame area. To best of our knowledge, this is the first time this approach has been applied to a diffusion flame to calculate heat release rate. Flame response function is acquired as oscillations of heat release rate to fluctuations of fuel mass fraction. At each Peclet number, frequency domain is divided into three regions, namely diffusion-dominated region, convection-diffusion region, and convection-dominated region. Our results indicate that the magnitude of response function decreases as excitation frequency increases, while phase difference approaches a constant value. Also, as Peclet number increases, the amplitude of oscillations in heat release rate increases in diffusion-dominated and convection-diffusion regions, but it does not change significantly in convection-dominated region.

کلیدواژه‌ها English

Diffusion flame
Mass fraction
Flame structure
Heat release rate
Excitation frequency
1.     S. P. Burke and T. E. W. Schumann, “Diffusion Flames,” Industrial & Engineering Chemistry, 10, p. 998, 1928.
2.     J. A. Fay, “The Distributions of Concentration and Temperature in a Laminar Jet Diffusion Flame,” Journal of Aeronautical Sciences, 21, pp. 681-689, 1954.
3.     F. G. Roper, “The Prediction of Laminar Jet Diffusion Flame Sizes: Part I. Theoretical Model,” Combustion and Flame, 29, pp. 219-226, 1977.
4.     F. G. Roper, C. Smith and A. C. Cunningham, “The Prediction of Laminar Jet Diffusion Flame Sizes: Part II. Experimental Verification,” Combustion and Flame, 29, pp. 227-234, 1977.
5.     F. G. Roper, “Laminar Diffusion Flame Sizes for Curved Slot Burners Giving Fan-shaped Flames,” Combustion and Flame, 31, pp. 251-259, 1978.
6.     K. C. Smyth, J. H. Miller, R. C. Dorfman, W. G. Mallard and R. J. Santoro, “Soot Inception in a Methane/Air Diffusion Flame as Characterized by Detailed Species Profiles,” Combustion and Flame, 62, pp. 157-181, 1985.
7.     S. Khosid and J. B. Greenberg, “The Burke-Schumann Spray Diffusion Flame in a Nonuniform Flow Field,” Combustion and Flame, 118, pp. 13-24, 1999.
8.     J. Baker, K. Srireddy and R. Varagani, “Buoyancy-Controlled Laminar Diffusuion Slot Flame Heights,” Microgravity Sci. Technol., Vol. XIV/4, pp. 27-35, 2003.
9.     Y. Wang, Y. Lei, X. Zhang, W. Hu, J. Konig, O. Hinrichs, Chr. Eigenbrod and H. Rath., “Buoyancy Influence on Wrinkled,” Microgravity sci. technol., Vol. XIII/1, pp. 8-12, 2001.
10.  M. Tyagi, S. R. Chakravarthy and R. I. Sujith, “Unsteady Combustion Response of a Ducted Non-premixed Flame and Acoustic Coupling,” Combustion Theory Modeling, 11, No. 2, pp. 205-226, 2005.
11.  M. Tyagi, N. Jamadar and S. R. Chakravarthy, “Oscillatory Response of an Idealized Two-Dimensional Diffusion Flame: Analytical and Numerical Study,” Combustion and Flame, 149, pp. 271-285, 2007.
12.  N. Peters, Turbulent Combustion, Cambridge University, 2000.
13.  K. K. Kuo, Principles of Combustion, John Wiley & Sons, New York, 1986.
14.  M. Fleifel, A. M. Annaswamy, Z. A. Ghoniem and A. F. Ghoniem, “Response of a Laminar Premixed Flame to Flow Oscillations: A Kinematic Model and Thermoacoustic Instability Results,” Combustion and Flame, 106, pp. 487-510, 1996.