سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه عددی و تجربی مشعل ترکیبی متخلخل-شعله آزاد و مقایسه آن با مشعل متخلخل

نویسندگان
سید عبدالمهدی هاشمی 1
مجید نیکفر 1
مصطفی خسروی الحسینی 2
1 دانشکده مهندسی مکانیک و پژوهشکده انرژی ،دانشگاه کاشان، کاشان،ایران
2 پژوهشگاه صنعت نفت ایران،تهران،ایران
چکیده
احتراق پیش آمیخته در مشعل ترکیبی متخلخل- شعله آزاد و مشعل تمام­ متخلخل، در یک محفظه متقارن محوری به­ کمک شبیه ­سازی عددی مطالعه شده است. محیط متخلخل، که به شکل استوانه است، به ­گونه ­ای در امتداد محور سوراخ­ شده است که ترکیبی از مشعل متخلخل و شعله آزاد را به ­وجود می ­آورد. معادلات حاکم بر مسئله شامل معادلات پیوستگی، تکانه، انرژی، گونه ­ها و حالت با استفاده از روش عددی حجم محدود حل شده ­اند. در این شبیه ­سازی از سینتیک چندمرحله ­ای کاهش ­یافته و مدل آشفتگی Realizable k-e استفاده شده است. به­ منظور اعتبارسنجی نتایج عددی، نمونه­ ای آزمایشگاهی از این مشعل ساخته شده و مورد آزمون قرار گرفته است. نتایج عددی و داده ­های تجربی مطابقت خوبی با هم دارند. نتایج برای هر دو نوع مشعل مقایسه شده ­اند. نتایج نشان می ­دهد که شعله در مشعل ترکیبی بازه پایداری بزرگ­تری نسبت به مشعل متخلخل دارد. همچنین نتایج نشان می­ دهد مشعل ترکیبی متخلخل-شعله آزاد توان حرارتی را 50 درصد افزایش و آلاینده NO را 20 درصد کاهش می ­دهد.

تازه های تحقیق

در این مطالعه، دو مشعل ترکیبی متخلخل-شعله آزاد و مشعل تمام­متخلخل مورد آزمون تجربی و شبیه­سازی عددی قرار گرفت. محیط متخلخل، که به شکل استوانه است، به­گونه­ای در امتداد محور سوراخ شده است که ترکیبی از مشعل متخلخل و شعله آزاد را پدید می­آورد. در دو مشعل، در محیط متخلخل، شعله مدفون به­وجود آمده و هیچ شعله سطحی مشاهده نشد. نتایج شبیه­سازی عددی با داده­های تجربی به­دست آمده برای هر دو مشعل برای همین شرایط و هندسه مقایسه شد. نتایج تطابق خوبی بین داده­های تجربی و نتایج عددی نشان می­دهد. نتایج نشان می­دهد که با افزایش سرعت مخلوط ورودی جبهه شعله به­سمت خروج از محیط متخلخل پیش­روی می­کند. جابه­جایی و حضور جبهه شعله فقط در نیمه بالادست جریان (نیمه پایینی محیط متخلخل) است. از نتایج مشاهده می­شود که حد بالا و پایین پایداری شعله در مشعل ترکیبی متخلخل-شعله آزاد به­ترتیب به میزان 50 و 25 درصد بیشتر از مشعل تمام­متخلخل است. همچنین، نتایج نشان می­دهد که مشعل ترکیبی تولید آلاینده NO کمتری (حدود 20 درصد) نسبت به مشعل تمام­متخلخل دارد.

کلیدواژه‌ها
آزمون تجربی
شبیه­ سازی عددی
احتراق
مشعل ترکیبی
مشعل متخلخل

عنوان مقاله English

A Numerical Investigation with Experimental Test of Combined Porous-Free Flame Burner and Its Comparison with a Porous Burner

نویسندگان English

Seyed abdolmahdi Hashemi 1
Majid Nikfar 1
Mostafa Khosraviyolhosseini 2
1 Faculty of Mechanical Engineering and Energy Research Institute, University of Kashan, Kashan, Iran
2 Research Institute of Petroleum Industry, Tehran, Iran
چکیده English


Premixed combustion in a Combined Porous-Free Flame Burner (CPFFB) and a porous burner (PB) is numerically studied at a cylindrical axisymmetric combustion chamber. The cylindrical porous medium is perforated in the center line that a combination of porous burner and free flame is made. Governing equations of mass, momentum, energy and species mass fraction are solved using finite volume method. In this numerical simulation, a reduced multi-step combustion mechanism and realizable k-ε turbulence model are used. To validate the numerical results, an experimental prototype of the burner was made and has been tested. The numerical results have a good agreement with the experimental data. The results are compared for both types of the burners.The results show that the flame in CPFFB is stable in a range greater than that of PB. The results show that the CPFFB has a higher thermal power about 50% and lower NO pollutant formation about 20% rather than an equivalent PB.

کلیدواژه‌ها English

Experimental test
Numerical simulation
Combustion
Combined burner
Porous medium
1.     C. E. Baukal, Industrial Burners handbook, CRC Press, Taylor & Francis, Section 11-13, 2003.
2.     J. Howell, M. Hall and L. Ellzey, “Combustion of Hydrocarbon Fuel within Porous Inert Media,” Prog. Energy Combustion Sci., 22, pp. 121-145, 1996.
3.      S. Wood and A. T. Harris, “Porous Burners for Lean Burn Applications,” Prog. Energ. Combust. Sci., 34, 2008, pp.  667-684.
4.     M. Abdul Mujeebu, M. Z. Abdullah, M. Z. Abu Bakar, A. A. Mohamad, R. M. N. Muhad and M. K. Abdullah, “Combustion in Porous Media and its Applications- A Comprehensive Survey,” J. Env. Man., 90, 2009, pp. 2278-2312.
5.     K. Vafai, Handbook of Porous Media, Ed. 2, CRC Press Taylor & Francis Group, United States of America, 2005.
6.     G. De. Soete, “Stability and Propagation of Combustion Wave in Porous Media,” The Eleventh Symposium on Combustion, The Combustion Institute, University of California, Berkeley, California, 1966, pp. 959-966.
7.     W. Mathis, Jr. and J. L. Ellzey, “Flame Stabilization, Operating Range, and Emissions for a Methane/Air Porous Burner,” Combust. Sci. And Tech., 175, 2003, pp. 825-839.
8.     B .J. Vogel and J. L. Ellzey, “Subadiabatic and Super Adiabatic Performance of a Two-Section Porous Burner,” Combust. Sci. and Tech., 177, 2005, pp. 1323-1338.
9.     F. Avdic, M. Adzic and F. Durst, “Small Scale Porous Medium Combustion System for Heat Production in Households,” Appl. Energy, 87, 2010, pp. 2148-2155.
10.  S. A. Hashemi and H. Atoof, “An Experimental Study of the Effect of Thickness and Porosity on the Performance of a Porous Metal Radiation Burner,” Fuel and Combustion, 2, No. 2, Fall 2009-Winter 2010, pp. 11-23, (in Farsi).
11.  S. A. Hashemi, J. Amani and H. Atoof, “Experimental Study of Flame Stability in SiC Porous Media,” Amirkabir Journal of Science and Technology, Mechanical Engineering, 43, No. 1, 2011, pp.59-70, (in Farsi).
12.  S. A. Hashemi, M. Nikfar and R. Ashrafi, “Experimental Study of Firing Rate on Radiation Efficioncy of Ceramichal Porous Burner,” Fourth Combustion Conference of Iran, University of Kashan, Kashan, Iran, Februsry 2012, (in Farsi).
13.  S. Hossainpour and N. Moallemi Khiavi, “Two-Dimensional Numerical Simulation of Combustion in Porous Burners using for Multi-steps Kinetics Mechanisms,” Fuel and Combustion, 3, No 1, 2010, pp. 63-74, (in Farsi).
14.  M. R. Rajaiee, “Two-Dimensional Simulation of Premixed Gases Combustion in Porous Media using Numerical Methods,” MsC Thesis, 2003, (in Farsi).
15.   M. Abdul Mujeebu, M. Z. Abdullah, M. Z. Abu Bakar, A. A. Mohamad and M. K. Abdullah, “A Review of Investigation on Liquid Fuel Combustion in Porous inert Media,” Progress in Energy and Combustion Science, 35, 2009, pp. 216-230.
16.   M. Abdul Mujeebu, M. Z. Abdullah, M. Z. Abu Bakar, A. A. Mohamad and M. K. Abdullah, “Application of Porous Media Combustion Technology-Areview,” Applied Energy, 86, 2009, pp. 1365-1375.
17.  M. Abdul Mujeebu, M. Z. Abdullah, M. Z. Abu Bakar, A. A. Mohamad, R. M. N. Muhad and M. K. Abdullah, “Combustion in Porous Media and its Applications- A Comprehensive Survey,” Journal of Environmental Management, 90, 2009, pp. 2287-2312. 
18.  I. Malico, X. Y. Zhou and J. C. F. Pereira, “Two-Dimensional Numerical study of Combustion and Pollutants Formation in Porous Media,” Combust. Sci. and Tech., 152, 2000, pp. 57-79.  
19.  G. Brenner, K. Pickenäcker, O. Pickenäcker, D. Trimis, K. Wawrzinek and T. Weber, “Numerical and Experimental Investigation of Matrix-Stabilized Methane/Air Combustion in Porous Inert Media,” Combust. Flame, 123, 2000, pp. 201-213.
20.  T. Smucker Matthew and J. L. Ellzey, “Computational and Experimental Study of A two-Section Porous Burner,” Combust. Sci. and Tech., 176, 2004, pp.1171-1189.
21.  Timothy L. Marbach, “Vijaykant Sadasivuni and Ajay K. Agrawal, Investigation of a Miniature Combustor Using Porous Media Surface Stabilized Flame,” Combustion Science and Technology, 179, 2007, pp. 1901-1922.
22.  M. Bidi, M. R. H. Nobari and M. Saffar Aval, “A Numerical Evaluation of Combustion in Porous Media by EGM (Entropy Generation Minimization),” Energy, 35, 2010, pp. 3483-3500.    
23.  C. K. Weakley, S. J. Greenberg, R. M. Kendall and N. K. Mc Dougald, “Development of Surface-Stabilized Fuel Injectors With Sub-Three ppm NOx Emissions,” Proceedings of IJPGC '02 2002 Intern. Joint Power Generation Conf. Phoenix, AZ, USA, June 24-26, 2002.
24.   S. J. Greenberg and N. K. Mc Dougald, “Full-Scale Demonstration of Surface-Stabilized Fuel Injectors For Sub-Three PPM NOx Emissions,” Proceedings of ASME Turbo Expo 2004 Power for Land, sea and Air, Austria, 2004.  
25.  F. Macdonald, M. S. El-Sayed, K. Mow and F. A. L. Dullien, “Flow through Porous Media Ergun Eguation Revisited,” Ind. Eng. Chem. Fund., l8, 1979, pp. 199-208. 
26.  D. J. Diamantis, E. Mastrakos, D. A. Goussis, “Simulation of Premixed Combustion in Porous Media,” Comb. Theory Model, 6, 2002, pp. 383-411. 
27.  S. V. Patankar, Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, John Wiley and Sons, New York 1984.
28.  S. J. Kline and F. A. Mc Clintock, “Describing Uncertainties in Single-Sample Experiments,” Mech. Eng., 75, No. 1, January 1953, pp. 3-8.
29.   J. P. Holman, Experimental Methods for Engineers, Seventh Edition, New York, Mc Graw Hill, 2001.
 
 
 
سوخت و احتراق
دوره 5، شماره 2 - شماره پیاپی 10
10
تابستان 1391
صفحه 77-91