سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مدلسازی آشفتگی در شعله های برخاسته فواره نفوذی در جریان همسوتحت شرایط پیش گرم و رقیق سازی

نویسندگان
سید محمد میرنجفی زاده 1
محمدتقی صادقی 2
رحمت ستوده قره باغ 2
1 دانشگاه علم و صنعت ایران ، دانشکده مهندسی شیمی،تهران،ایران
2 دانشکده مهندسی شیمی، پردیس دانشکده‌های فنی دانشگاه تهران،تهران،ایران
چکیده
در این تحقیق، شعله برخاسته فواره (Jet) آشفته نفوذی، که با سازوکار خوداشتعالی پایدار شده، با استفاده از روش معادله انتقال تابع دانسیته احتمال (PDF) بررسی می شود. برای این منظور، از سازوکار شیمیایی پیچیده و مدل اصلاح شده اختلاط ملکولی کِرل(Curl) استفاده می​شود. هدف اصلی در این مطالعه بررسی تاثیر درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-eاستاندارد است. لحاظ کردن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی بر کمیات اسکالر مانند دما و کسر جرمی اجزا و همچنین محل برخاستگی شعله تاثیر محسوسی دارد. نتایج نشان می​دهند محل برخاستگی شعله با درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل k-eاستاندارد بهتر پیش​بینی شده و به نتایج تجربی نزدیک تر است. بر اساس مطالعات قبلی، مدل k-eاستاندارد نرخ گسترش فواره را در فواره​های مدور بیشتر از مقدار واقعی پیش​بینی می کند. در این مطالعه ملاحظه شد درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-eاستاندارد بهبود توزیع دما و کسر جرمی اجزا در ناحیه برخاستگی شعله و در پایین دست جریان فواره را به همراه دارد.

تازه های تحقیق

در این تحقیق، شعله برخاسته آشفته هیدروژن، تحت شرایط گرم و رقیق شده، با استفاده از دیدگاه معادله انتقال تابع دانسیته احتمال (PDF) توام کمیات اسکالر شبیه­سازی شد. به­دلیل اهمیت اشتعال در این شعله، سازوکار شیمیایی به­صورت پیچیده و مدل اختلاط، مدل تصحیح­شده کِرل (Curl) انتخاب شده است. در این کار، تاثیر درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-e استاندارد ارزیابی شده است. برای این منظور، جمله همبستگی سرعت-گرادیان فشار در معادله انرژی جنبشی آشفتگی درنظر گرفته شده و مدل شده است. لحاظ کردن این جمله در مدل آشفتگی بر میدان کمیات اسکالر مانند دما و کسر جرمی اجزا و همچنین محل برخاستگی شعله اثر محسوسی دارد. نتایج نشان می‌دهند درنظرگرفتن این جمله در مدل آشفتگی سبب پیش­بینی بهتر محل برخاستگی شعله نسبت به نتایج مدل k-e استاندارد می‌شود. در این مطالعه، ملاحظه شد درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-e استاندارد، ضمن بهبود نرخ پهنایش فواره، پیش­بینی بهتر توزیع دما و کسر جرمی اجزا قبل از شروع واکنش و در پایین­دست جریان فواره را به­همراه دارد. 

 

کلیدواژه‌ها
خوداشتعالی
برخاستگی شعله
روش PDF توام کمیات اسکالر
مدل آشفتگی
تغییرات دانسیته

عنوان مقاله English

Turbulence Modeling in a Lifted Diffusion Jet Flame Issuing into a Hot and Dilluted Coflow

نویسندگان English

Seyed Mohammad Mirnajafizadeh 1
Mohammad Taghi Sadeghi 2
Rahmat Sotudeh Gharebagh 2
1 Iran University of Science and Technology, School of Chemical Engineering, Tehran, Iran
2 School of Chemical Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
چکیده English

In this paper, a turbulent lifted diffusion jet flame is studied using the composition probability density function approach in a two-domensional domain with detailed chemistry. The main purpose is to investigate the effect of density variations on scalar fields and lift-off height. For this purpose, the standard k-emodel as well as a modified turbulence model for variable density conditions are employed to investigate the impact of turbulence models on the flame behavior and the place of stabilization. The results show that the best agreement between the numerical results and measurements is achieved using the modified turbulence model. A comparison between the numerical results and measurements shows that the standard k-emodel over-predicts the spreading and decay rates in the jet. Using the velocity-pressure gradient term in the modified turbulence model resolves the relevant problem to a great extent and leads to better results than those of the standard k-emodel.

کلیدواژه‌ها English

Lifted jet flame
Density variations
Turbulent models
Modeling
Autoignition
1.     W. M. Pitt, “Large-Scale Turbulent Structures and the Stabilization of Lifted Turbulent Jet Diffusion Flames,” Symposium (International) on Combustion, 23, 1991, pp. 661-668.
2.     K. M. Lyons, “Toward an Understanding of the Stabilization Mechanisms of Lifted Turbulent Jet Flames: Experiments,” Progress in Energy and Combustion Science, 33, 2007, pp. 211-231.
3.     C. J. Lawn, “Lifted Flames on Fuel Jets in Co-Flowing Air,” Progress in Energy and Combustion Science, 35, 2009, pp. 1-30.
4.     E. Mastorakos, “Ignition of Turbulent Non-Premixed Flames,” Progress in Energy and Combustion Science, 35, 2009, pp. 57-97.
5.     W. M. Pitts, “Assessment of Theories for the Behavior And Blowout of Lifted Turbulent Jet Diffusion Flames,” Symposium (International) on Combustion,  22, 1989, PP. 809-816.
6.     G. T. Kalghatgi, “Blow-out Stability of Gaseous Jet Diffusion Flames. Part I: In Still Air,” Combustion Science and Technology, 26, 1981, pp. 233-239.
7.     H. Eickhoff, B. Lenze, W. Leuckel, “Experimental Investigation on the Stabilization Mechanism of Jet Diffusion Flames,” Symposium (International) on Combustion, 20, 1985, pp. 311-318.
8.     S. R. Gollahalli, O. Savaş, R. F. Huang, , J. L. Rodriquez, “Structure of Attached And Lifted Gas Jet Flames in Hysteresis Region,” Symposium (International) on Combustion, 21, 1988, pp. 1463-1471.
9.     F. Takahashi, W. J. Schmoll, “Lifting Criteria of Jet Diffusion Flames,” Symposium (International) on Combustion, 23, 1991, PP. 677-683.
10.  R. W. Bilger, “Future Progress in Turbulent Combustion Research,” Progress in Energy and Combustion Science, 2000, pp. 367-380.
11.  S. H. Kim, K. Y. Huh, R. W. Bilger, “Second-Order Conditional Moment Closure Modeling of Local Extinction and Reignition in Turbulent Non-Premixed Hydrocarbon Flames,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, 2002, pp. 2131-2137.
12.  D. Bradley, P. H. Gaskell, X. J. Gu, “The Modeling of Aerodynamic Strain Rate and Flame Curvature Effects in Premixed Turbulent Combustion,” Symposium (International) on Combustion, 27, 1998, pp. 849-856.
13.  M. Chen, M. Herrmann, N. Peters, “Flamelet Modeling of Lifted Turbulent Methane/Air and Propane/Air Jet Diffusion Flames,” Proceedings of the Combustion Institute, 28, 2000, pp. 167-174.
14.  C. M. Muller,  H. Breitbach, N. Peters, “Partially Premixed Turbulent Flame Propagation in Jet Flames,” Symposium (International) on Combustion, 25, 1994, pp. 1099-1106
15.  N. Peters, Turbulent Combustion, Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
16.  R. Cabra, T. Myhrvold, J. Y. Chen, R. W. Dibble, A. N. Karpetis, R. S. Barlow, “Simultaneous Laser Raman-Rayleigh-Lif Measurements and Numerical Modeling Results of a Lifted Turbulent H2/N2 Jet Flame in a Vitiated Coflow,”  Proceedings of the Combustion Institute, 29, 2002, pp. 1881-1888.
17.  T. Myhrvold, I. S. Ertesvag , I. R. Gran, R. Cabra, J. Y. Chen,  “A Numerical Investigation of a lifted H2/N2 Turbulent Jet Flame in a Vitiated Coflow,” Combustion Science and Technology, 178, 2006, pp. 1001-1030.
18.  A. R.  Masri, R. Cao, S. B. Pope, G. M. Goldin, “PDF Calculations of Turbulent Lifted Flames of H2/N2 Fuel Issuing into a Vitiated Co-Flow,” Combustion Theory and Modeling, 8, 2003, pp. 1-22. 
19.  R. R. Cao, S. B. Pope, A. R. Masri, “Turbulent Lifted Flames in a Vitiated Coflow Investigated using Joint PDF Calculations,” Combustion and Flame, 142, 2005, pp. 438-453.
20.  R. L. Gordon, A. R. Masri, S. B. Pope, G. M. Goldin, “A Numerical Study of Auto-Ignition in Turbulent Lifted Flames Issuing into a Vitiated Co-Flow,” Combustion Theory and Modeling, 11, 2007, pp. 351-376.
21.  L. Vervisch, “Using Numerics to Help the Understanding of Non-Premixed Turbulent Flames,” Proceedings of the Combustion Institute, 28, 2000, pp. 11-24.
22.  Y. Mizobuchi, Sh. Tachibana, J. Shinio, S. Ogawa, T. Takeno, “A Numerical Analysis of the Structure of a Turbulent Hydrogen Jet Lifted Flame,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, 2002, pp. 2009-2015.
23.  http://www.me.berkeley.edu/cal/vcb/data/VCHNData.html
24.  W. C. Strahle, “Velocity-Pressure Gradient Correlation in Reactive Turbulent Flows,” Combustion Science and Technology, 32, 1983, pp. 289-305.
25.  K. H. Luo, “Combustion Effects on Turbulence in a Partially Premixed Supersonic Diffusion Flame,” Combustion and Flame, 119, 1999,  pp. 417-435.
26.  C. Chen, J. Riley, P. A. McMurtry,” A Study of Favre Averaging in Turbulent Flows with Chemical Reaction,”
Combustion and Flame, 87, 1991, pp. 257-277.
27.  J. Chomiak, J. R. Nisbet, “Modeling Variable Density Effects in Turbulent Flames-Some Basic Considerations,” Combustion and Flame, 102, 1995, pp. 371-386.
28.  J. Muller, Z. Zhao, A. Kazakov, F. L. Dryer, “An Updated Comprehensive Kinetic Model of Hydrogen Combustion,” International Journal of Chemical Kinetics, 36, 1998, pp. 566-575.
29.  R. A. Yetter, F. L. Dryer, H. Rabitz, “A Comprehensive Reaction Mechanism for Carbon Monoxide/Hydrogen/Oxygen Kinetics,” Combustion Science and Technology, 79, 1991, pp. 97-128.
30.  D. C. Wilcox, Turbulence Modeling for CFD, DCW Industries Inc., La Canada, California, 1993.
31.  S. B. Pope, “PDF Method for Turbulent Reactive Flows,” Progress in Energy and Combustion Science, 11. 1985, pp. 119-192.
32.  R. O. Fox, Computational Models for Turbulent Reacting Flows, Cambridge University Press, New York, 2003.
33.  L. L. Smith, R.W. Dibble, L. Talbot, R. S. Barlow, C. D. Carter, “Laser Raman Scattering Measurements of Differential Molecular Diffusion in Turbulent Non-Premixed Jet Flames of H2/CO2 Fuel,” Combustion and  Flame, 100, 1995, pp. 153-160.
34.  R. S. Barlow, J. H. Frank, A. N. Karpetis, J. Y. Chen, “Piloted Methane/Air Jet Flames: Transport Effects and Aspects of Scalar Structure”, Combustion and Flame, 143, 2005, pp. 433-449.
35.  A. Mardani, S. Tabejamaat, M. Ghamari, “Numerical Study of Influence of Molecular Diffusion in the Mild Combustion Regime,” Combustion Theory and Modelling, 14, 2010, pp. 747-774.
36.  S. B. Pope, “A Monte Carlo Method for the PDF Equations of Turbulent Reactive Flow,” Combustion Science and Technology, 25, 1981, pp. 159-174.
37. M. Muradoglu, and S. B. Pope, “Local Time-Stepping Algorithm for Solving Probability Density Function Turbulent Model Equations,” AIAA J., 40, 2002, pp. 1755-1763.
38. E. Amani, M. R. Heyrani Noubari, “A Comparative Study of Premixed Turbulent Combustion with PDF and RANS Methods,” Fuel and Combustion, 1, 2010, pp. 35-47.