سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

تاثیر غلظت اکسیژن و عدد رینولدز سوخت در ساختار شعله متان-هیدروژن تحت شرایط MILD با استفاده از روش LES

نویسندگان
یاشار آفرین
صادق تابع جماعت
دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی امیرکبیر،تهران ،ایران
چکیده
در این مقاله، از روش شبیه ­سازی گردابه بزرگ (LES) به منظور بررسی ساختار شعله متان-هیدروژن در شرایط MILDاستفاده شده است. همچنین، اثر متغیرهای عدد رینولدز فواره سوخت و غلظت اکسیژن در جریان اکسیدکننده به منظور مطالعه ساختار شعله بررسی شده است. بدین منظور، شبیه ­سازی به ازای دو عدد رینولدز 5000 و 10000و سه درصد اکسیژن 3، 6 و 9 درصد صورت گرفته است. نتایج آزمایشگاهی انجام­شده توسط دالی جهت ارزیابی دقت حل استفاده شده است. برای ارتباط بین جمله­ های اغتشاشی و احتراقی از مدلPaSRموجود در کد اپن­فوم، که به نحوی توسعه ­یافته مدل EDC است، و همچنین از سازوکار کامل GRI-2.11، به منظور محاسبه دقیق سینتیک شیمیایی احتراق، استفاده شده است. معیارهای مختلفی برای ارزیابی صحت نتایج به­ دست­ آمده استفاده شده که همگی آن­ها دقت حل را تایید می­ کنند.نتایج ارائه ­شده حاکی از این مطلب است که افزایش غلظت اکسیژن منجر به نازک­ شدن ضخامت شعله، محدودشدن نوسانات موجود در توزیع جزء­های شیمیایی در ناحیه کوچک­تری در اطراف نازل، کاهش خاموش شدن موضعی در ساختار شعله، محدودشدن ناحیه پیش ­مخلوط جزئی برای اجزای شرکت­ کننده در واکنش و به عبارت کامل­تر پایدارترشدن شعله در ناحیه نزدیک نازل می ­شود. همچنین، کاهش عدد رینولدز، به دلیل افزایش مدت زمان اقامت عناصر شرکت کننده در واکنش، نقش موثری در تقویت شعله ایفا می­ کند.
کلیدواژه‌ها
احتراقMILD
متان/هیدروژن
غلظت اکسیژن
رینولدز سوخت
LES

عنوان مقاله English

Effect of Oxygen Mass Fraction and Reynolds Number on Methane-Hydrogen Flame in MILD Regime using LES Method

نویسندگان English

Yashar Afarin
Sadegh Tabejamaat
Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Large eddy simulation (LES) was used to investigate the H2/CH4 flame structure under MILD condition. Effects of the fuel inlet Reynolds number and the oxygen mass fraction in the oxidizer stream on the flame structure were studied. In this regard, the simulation was performed for two Reynolds numbers of 5000 and 10,000 and three oxygen mass fractions of 3, 6 and 9%. Numerical results were compared with experimental measurements of Dally. The turbulence-chemistry interaction in numerically unresolved scales was modeled using the PaSR model and the full mechanism GRI-2.11 was used to precisely represent the methane-hydrogen reactions. Accuracy of the LES simulation results was evaluated by a set of criteria indicating acceptable predictions. The results show that increasing the oxygen mass fraction in the oxidizer stream decreases the flame thickness, limits the species fluctuations to a smaller zone near the nozzle’s exit plane, decreases local extinctions in the flame structure and limits the partially premixed to a zone near the shear layer line and in summary improves the flame stability especially near the nozzle exit zone. Since decreasing the Reynolds number increases the residence time of fuel and oxidizer elements, it has a favorable effect on flame stability and decreasing its susceptibility to combustion instability.

کلیدواژه‌ها English

احتراقMILD
متان/هیدروژن
غلظت اکسیژن
رینولدز سوخت
LES
1.     A. Cavalier and M. de Joannon, “Mild Combustion,” Prog. Energy Combust. Sci., 30, 2004, pp. 329-366.
2.     B. B. Dally, “Laminar Nonpremixed Flame Calculations of Methane with Highly Preheated Air,” Australian Symposium on Combustion & Sixth Australian Flame Days, Newcastle, Australia, 1999.
3.     B. B. Dally, A. N. Karpetis and R. S. Barlow, “Structure of Turbulent Non-Premixed Jet Flames in a Diluted Hot Coflow,” Proc. Combust. Inst, 29, 2002, pp.1147-1154.
4.     F. C. Christo and B. B. Dally, “Modeling Turbulent Reacting Jets Issuing into a Hot and Diluted Coflow,” Comb. and Flame, 142, 2005, pp. 117-129.
5.     A. Frassoldati, P. Sharma, A. Cuoci, T. Faraveli and E. Ranzi, “Kinetic and Fluid Dynamics Modeling of Methane/Hydrogen Jet Flames in Diluted Coflow,” Applied Thermal Engineering, 30, 2010, pp. 376-383.
6.     A. Mardani and S. Tabejamaat, “A Numerical Study of the Effect of Flow Dynamics and Oxygen Concentration on Methane-Hydrogen Non-Premixed Flame in a Mild Combustion Regime,” Fuel and Combustion, 12, No. 2, 2010, pp. 69-83 (in Farsi).
7.     M. Ihme and C. Y. See, “LES Flamelet Modeling of a Three-Stream MILD Combustor: Analysis of Flame Sensitivity To Scalar Inflow Conditions,” Proc. Combust. Inst, 33, 2011, pp. 1309-1317.
8.     M. Hallaji and K. Mazaheri, “Comparison of LES and RANS in Numerical Simulation of Turbulent Non-Premixed Flame under MILD Combustion Condition,” 7th Mediterranean Combustion Symposium, Italy, Sep. 2011. 
9.     A. Mardani and S. Tabejamaat, “Study of CO and CO2 Production In Hydrogen-Methane Flame under the MILD Condition,” 4th Iranian Fuel And Combustion Conference, Kashan, Iran, Feb. 2012, (in Farsi).
10.  H. Kobayashi, K. Oono, E. S. Cho, H. Hagiwara, Y. Ogami and T. Niioka, “Effects of Turbulence on Flame Structure and NOx Emission of Turbulent Jet Non-Premixed Flames in High-Temperature Air Combustion,” JSME International Journal Series B, 48, No. 2, 2005, pp. 286-292.
11.  P. R. Medwell, P. A. M. Kalt and B. B. Dally, “Influence of Fuel Type on Turbulent Nonpremixed Jet Flames under MILD Combustion Conditions,” 16th Australian Fluid Mechanics Conference, 2007, pp. 1350-1355.
12.  B. F. Magnussen, “On the Structure of Turbulence and a Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reaction In Turbulent Flow,” 19th AIAA Meeting, St. Louis, MO, 1981.
13.  J. Chomiak and J. Karlsson, “New Observations Concerning Diesel Combustion,” Proceeding of the 22nd CIMAC, 2, 1998, pp. 431-441.
14.  S. B. Pope, Turbulent Flows, Cambridge University Press, Cambridge, England, 2000.
15.  H. G. Weller, G. Tabor, H. Jasak, and C. Fureby, “A Tensorial Approach to Computational Continuum Mechanics using Object-Oriented Techniques,” Computer in Physics, 12, No. 6, 1998, pp. 620-631.
16.  B. P. Leonard, “Simple High-Accuracy Resolution Program for Convective Modeling of Discontinuities,” Int. J. Num. Meth. Fluids, 8, 1988, pp.1291-1318.
17.  M. S. Darwish, “A New High-Resolution Scheme Based on the Normalized Variable Formulation,” Numerical Heat Transfer, part B, 24, 1993, pp.353-371.
18.  P. A. N. Nordin, “Complex Chemistry Modeling of Diesel Spray Combustion,” PhD Thesis, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2001.
19.  F. P. Karrholm, “Numerical Modeling of Diesel Spray Injection, Turbulence Interaction and Combustion,” PhD Thesis, Chalmers University of Technology, Goteborg, Sweden, 2008.
20.  L. di Mare, M. Klein, W. P. Jones and J. Janicka, “Synthesis Turbulence Inflow Conditions for Large-Eddy Simulation,” Physics of Fluids, 18, pp. 025107-1-11, 2006.
21.  G. Lodato, P. Domingo and L. Vervisch, “Three-Dimensional Boundary Conditions for Direct and Large-Eddy Simulation of Compressible Viscous Flows,” J. Compute. Phys., 227, No. 10, 2008, pp. 5105-5143.
22.  http://www.me.berekeley.edu/gri_mesh/(1995).
23.  S. Pope, “Ten Questions Concerning the Large Eddy Simulation of Turbulent Flows,” New J. Phys., 6, 2004, pp. 1-24.
24.  R. W. Bilger, S. H. Starner and R. J. Kee, “On Reduced Mechanisms for Methane-Air Combustion in Non-Premixed Flames,” Combust. Flame, 809, 1990, pp. 135-14.