سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی عددی تاثیر نسبت انسداد و هندسه موانع بر شتاب‌گیری شعله و فشار حاصل از انفجارگازی

نویسندگان
سبحان امامی کوپائی
کیومرث مظاهری
بخش مهندسی مکانیک، آزمایشگاه دینامیک گازها،دانشگاه تربیت مدرس،تهران،ایران
چکیده
هدف از مقاله حاضر بررسی حضور موانع صلب، با نسبت انسداد و هندسه‌های مختلف، بر روی شتاب‌گیری شعله و فشار حاصل از انتشار شعله پیش‌آمیخته با استفاده از شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ است.در این تحقیق، نرخ واکنش زیرشبکه با استفاده از مدل احتراقی چین­ خوردگی سطح شعله ولر محاسبه شده است. در کار حاضر، سه نوع مانع با سطح مقطع دایره‌ای، مربعی و مثلثی با نسبت انسدادهایی در حدود 10 تا 72 درصد مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج حاضر نشان می‌دهند که موانع مربعی سریع­ترین شتاب‌گیری شعله و موانع دایره‌ای کندترین شتاب‌گیری را به‌همراه دارند. همچنین، سرعت فواره جریان عبوری از روی موانع و سطح آشفتگی حاصل از موانع با افزایش نسبت انسداد افزایش یافته و درنتیجه سرعت انتشار شعله افزایش می‌یابد. حجم مواد نسوخته به ­تله­ افتاده در پشت موانع نیز، که نقش بسزایی در فشار بیشینه حاصل از انتشار شعله دارد، برای موانع مثلثی بیشترین مقدار را دارد. بیشینه فشار با افزایش نسبت انسداد افزایش یافته و نرخ افزایش وابسته به هندسه مانع است؛ به‌طوری که مانع مربعی بیشترین فشار و مانع دایره‌ای کمترین فشار را ایجاد می‌کند. زمان رخداد بیشینه فشار نیز با افزایش نسبت انسداد کاهش یافته و وابسته به هندسه مانع است.

تازه های تحقیق

همان­طور که مشاهده شد، شعله به‌هنگام برهم­کنش با موانع شتاب می‌گیرد، به‌طوری که برای نمونه سرعت شعله در حضور مانع مربعی S3 از حدود m/s4 در زمان رسیدن به مانع تا m/s50 در زمان خروج از محفظه افزایش می‌یابد. نتایج حاضر نشان دادند که مانع مربعی، به­علت داشتن گوشه‌های تیز و همچنین گذرگاه باریک طولانی، بیشترین شتاب‌گیری را باعث شده و کمترین شتاب‌گیری مربوط به مانع دایره‌ای است. شکل‌گیری جفت­گردابه در پشت مانع باعث می‌شود که مخلوطی از گازهای نسوخته در پشت مانع به تله افتاده که این مخلوط پس از اتصال دوباره شعله در پشت گردابه مصرف می‌شود. اتصال مجدد شعله در پشت گردابه در پشت مانع دایره‌ای سریع­تر روی می‌دهد. هندسه مانع دایره‌ای باعث می‌شود تا سطح آشفتگی جریان احتراقی بعد از عبور از مانع برای مدت کوتاهی کاهش یافته، درنتیجه یک مرحله کوتاه کاهش سرعت با عبور از مانع دایره‌ای مشاهده شود. نسبت انسداد نیز اثرات قابل توجهی بر شتاب‌گیری شعله دارد. درحقیقت افزایش نسبت انسداد باعث افزایش سرعت فواره جریان، رشد آشفتگی‌ها و افزایش چین‌خوردگی شعله و نهایتا نرخ سوزش می‌شود.

در حالت کلی، نتایج عددی سه­بعدی حاضر در توصیف شکل کلی شعله، شتاب‌گیری شعله در عبور از موانع و درون لوله و بیان تاثیرات نسبت انسداد و هندسه موانع بر انتشار شعله هم­خوانی خوبی با نتایج تجربی داشتند؛ مخصوصا که نتایج عددی به­خوبی اندرکنش شعله و گردابه‌های آشفته حاصل از موانع را نشان دادند. البته همان­طور که اشاره شد، نتایج حاضر سرعت انتشار شعله را بیشتر از مقادیر تجربی پیش‌بینی می‌کنند.

در این مقاله، اثر نسبت انسداد و هندسه موانع بر روی رفتار تاریخچه فشار و فشار بیشینه نیز مطالعه شد. نتایج عددی حاضر به­خوبی نشان دادند که افزایش نسبت انسداد، سطح فشار و بیشینه فشار حاصل از انفجار را افزایش می‌دهد. همچنین، این افزایش فشار تحت تاثیر هندسه موانع است. به‌طورکلی فشار بیشینه حاصل از انفجار تحت تاثیر اغتشاشات حاصل از حضور موانع، که به‌صورت یک دنباله بسیار آشفته ظاهر می‌شود، و همچنین حجم مواد نسوخته به­تله­افتاده در پشت موانع است. در بین موانع مورد مطالعه با نسبت انسداد مشابه مانع دایره‌ای کمترین فشار را در محفظه ایجاد می‌کند که این موضوع به‌خاطر حجم کم مواد نسوخته به­تله­افتاده و همچنین سطح کم آشفتگی القاشده در جریان توسط این مانع است. از آنجایی که مقدار فشار بیشینه تحت تاثیر آزادسازی انرژی حاصل از انجام واکنش است، پیش‌بینی دقیق نرخ واکنش زیرشبکه مهم‌ترین چالش مطالعات عددی در این حیطه است. همان‌طور که مشاهده شد، پیش‌بینی بیشتر فشار بیشینه نسبت به نتایج تجربی بیانگر این موضوع است که مدل احتراقی زیرشبکه حاضر نرخ واکنش را بیشتر از واقعیت پیش‌بینی کرده است. البته شرایط اولیه درنظر گرفته شده برای ناحیه جرقه نیز تاثیر بسزایی بر فشار بیشینه دارد که بررسی سیستماتیک این موضوع نیازمند مطالعه مستقلی است. درنهایت نیز، در این مقاله، به مقایسه بین تاثیر اثرات مستقیم و غیرمستقیم حضور موانع بر روی شتاب‌گیری شعله و بیشینه فشار ایجادشده در محفظه پرداخته شد. نتایج حاضر نشان دادند که در نسبت انسدادهای میانی (20 تا 60 درصد) این هندسه موانع است که بر روی میدان جریان آشفته شکل­گرفته در دنباله موانع تاثیری بیشتری داشته و برای نسبت انسدادهای بیشتر از این حد این اندازه موانع است که با تاثیر مستقیم بر روی سرعت فواره جریان آشفتگی حاصل در دنباله موانع و به­دنبال آن نرخ واکنش را افزایش می‌دهد.

کلیدواژه‌ها
شعله پیش‌آمیخته آشفته
شتاب‌گیری شعله
شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ
فشار انفجار
موانع صلب

عنوان مقاله English

Numerical Investigation of the Effects of Blockage Ratio and Obstruction Geometry on Flame Acceleration and Overpressure of Gas Explosion

نویسندگان English

Sobhan Emami Koopaei
Kiumars Mazaheri
Department of Mechanical Engineering, Gas Dynamics Laboratory, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

The aim of the present paper is to investigate the effects of obstacles with different blockage ratio and geometry on flame acceleration and overpressure of premixed flame propagation using large eddy simulation. The subgrid-scale reaction rate is represented by the Flame-wrinkling combustion model developed by Weller. For the purposes of this paper, three different obstacles with circular, triangular and square cross-sections are studied here covering blockage ratios ranging from 10% to 72%. It is found that square and circular obstacles, result the fastest and the slowest flame acceleration, respectively. Velocity of jet-like flow around the obstacles and the level of turbulence generated by obstacles are increased with increasing blockage ratio and caused an increase in flame speed. The amount of unburned mixture trapped behind the obstacles, that plays a significant role in the overpressure, is found to be the highest for triangular obstacles.The maximum overpressure increases with increasing blockage ratio, but the rate of increase depends on the obstacle geometry. The square obstacles lead to highest overpressures while the circular ones produce the lowest overpressure. The time needed to reach the maximum overpressure decreases with increasing blockage ratio and depends on the obstacle geometry.

کلیدواژه‌ها English

Turbulent premixed flame
Flame acceleration
Large eddy simulation
Explosion overpressure
Obstacles
1.     T. Poinsot and D. Veynante, Theoretical and Numerical Combustion. Second Edition, R.T. Edwards, Inc., Philadelphia, USA, 2005.
2.     A. R. Masri, S. S. Ibrahim, N. Nehzat and A. R. Green, “Experimental Study of Premixed Flame Propagation Over Various Solid Obstructions,” Experimental Thermal and Fluid Science, 21, 2000, pp. 109-116.
3.     S. S. Ibrahim and A. R. Masri, “The Effects of Obstructions on Overpressure Resulting from Premixed Flame Deflagration,” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 14, 2001, pp. 213-221.
4.     S. S. Ibrahim, G. K. Hargarve and T. C. Williams, “Experimental Investigation of Flame/Solid Interactions in Turbulent Premixed Combustion,” Experimental Thermal and Fluid Science, 24, 2001, pp. 99-106.
5.     G. K. Hargrave, S. Jarvis and T. C. Williams, “A Study of Transient Flow Turbulence Generation during Flame/Wall Interactions in Explosions,” Measurement Science and Technology, 13, 2002, pp. 1036-1042.
6.     S. Patel, S. Jarvis, S. S. Ibrahim and G. K. Hargrave, “An Experimental and Numerical Investigation of Premixed Flame Deflagration in a Semiconfined Explosion Chamber,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, 2002, pp. 1849-1854.
7.     J. E. Kent, A. R. Masri and S. H. Starner, “A New Chamber to Study Premixed Fame Propagation Past Repeated Obstacles,” 5th Asia-Pacific Conference on Combustion, the University of Adelaide, Australia, July 2005.
8.     R. Hall, A. R. Masri, P. Yaroshchyk and S. S. Ibrahim, “Effects of Position and Frequency of Obstacles on Turbulent Premixed Propagating Flames,” Combustion and Flame, 156, 2009, pp. 439-446.
9.     D. J. Park, A. R. Green, Y. S. Lee and Y. Chen, “Experimental Studies on Interactions between a Freely Propagating Flame and Single Obstacles in a Rectangular Confinement,” Combustion and Flame, 150, 2007, pp. 27-39.
10.  P. Naamansen, D. Baraldi, B. H. Hjertager, T. Solberg and S. Cant, “Solution Adaptive CFD Simulation of Premixed Flame Propagation Over Various Solid Obstructions,” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 15, 2002, pp. 189-197.
11.  S. Patel, S. S. Ibrahim, M. A. Yehia and G. K. Hargarve, “Investigation of Premixed Turbulent Combustion in a Semi-confined Explosion Chamber,” Experimental Thermal and Fluid Science, 27, 2003, pp. 355-361.
12.  M. P. Kirkpatrick, S. W. Armfield, A. R. Masri and S. S. Ibrahim, “Large Eddy Simulation of a Propagating Turbulent Premixed Flame,” Flow, Turbulence and Combustion, 70, 2003, pp. 1-19.
13.  A. R. Masri, S. S. Ibrahim and B. J. Cadwallader, “Measurements and Large Eddy Simulation of Propagating Premixed Flames,” Experimental Thermal and Fluid Science, 30, 2006, pp. 687-702.
14.  S. R. Gubba, S. S. Ibrahim, W. Malalasekera and A. R. Masri, “LES Modeling of Premixed Deflagrating Flames in a Small-scale Vented Explosion Chamber with a Series of Solid Obstructions,” Combustion Science and Technology, 180, 2008, pp. 1936-1955.
15.  S. R. Gubba, S. S. Ibrahim, W. Malalasekera and A. R. Masri, “An Assessment of Large Eddy Simulations of Premixed Flames Propagating Past Repeated Obstacles,” Combustion Theory and Modelling, 13, No. 3, 2009, pp. 513-540.
16.  S. S. Ibrahim, S. R. Gubba, A. R. Masri and W. Malalasekera, “Calculations of Explosion Deflagrating Flames using a Dynamic Flame Surface Density Model,” Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 22, 2009, pp. 258-264.
17.  V. Di Sarli, A. Di Benedetto, G. Russo, S. Jarvis, E. J. Long and G. K. Hargrave, “Large Eddy Simulation and PIV Measurements of Unsteady Premixed Flames Accelerated by Obstacles,” Flow, Turbulence and Combustion, 83, 2009, pp. 227-250.
18.  V. Di Sarli, A. Di Benedetto and G. Russo, “Using Large Eddy Simulation for Understanding Vented Gas Explosions in the Presence of Obstacles,” Journal of Hazardous Materials, 169, 2009, pp. 435-442.
19.  V. Di Sarli, A. Di Benedetto and G. Russo, “Sub-grid Scale Combustion Models for Large Eddy Simulation of Unsteady Premixed Flame Propagation around Obstacles,” Journal of Hazardous Materials, 180, 2010, pp. 71-78.
20.  H. G. Weller, “The Development of a New Flame Area Combustion Model using Conditional Averaging,” Thermo-Fluids Section report TF/9307, Department of Mechanical Engineering, Imperial College of Science, Technology and Medicine, March 1993.
21.  A. Yoshizawa and K. Horiuti, “A Statistically-Derived Subgrid-Scale Kinetic Energy Model for the Large-Eddy Simulation of Turbulent Flows,” Journal of the Physical Society of Japan, 54, 1985, pp. 2834-2839.
22.  H. G. Weller, G. Tabor, A. D. Gosman and C. Fureby, “Application of a Flame-Wrinkling LES Combustion Model to a Turbulent Mixing Layer,” Proceedings of the Combustion Institute, 27, 1998, pp. 899-907.
23.  O. L. Gulder, “Turbulent Premixed Flame Propagation Models for Different Combustion Regimes,” Proceedings of the Combustion Institute, 23, 1990, pp. 743-750.
24.  I. K. Nwagwe, H. G. Weller, G. R. Tabor, A. D. Gosman, M. Lawes, C. G. W. Sheppard and R. Wooley, “Measurements and Large Eddy Simulations of Turbulent Premixed Flame Kernel Growth,” Proceedings of the Combustion Institute, 28, 2000, pp. 59-65.
25.  S. B. Pope, Turbulent Flows, First Edition, Cambridge University Press, Cambridge, UK, 2000.
26.  I. B. Celik, Z. N. Cehreli and I. Yavuz, “Index of Resolution Quality for Large Eddy Simulations,” Journal of Fluids Engineering, 127, 2005, pp. 949-958.
27.  A. Kempf, R. P. Lindstedt and J. Janicka, “Large-Eddy Simulation of a Bluff-body Stabilized Nonpremixed Flame,” Combustion and Flame, 144, 2006, pp. 170-189.