بررسی تحلیلی اثر تغییر شدت چرخش جریان هوای ورودی بر رفتار دینامیکی جریان، دما و شار گرمایی تابشی مشعل هارول

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی، مجتمع آموزش عالی گناباد، گناباد، ایران

3 استاد، دانشکده مهندسی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

چکیده

در پژوهش حاضر اثر تغییر شدت چرخش جریان هوای ورودی به محفظه احتراق استاندارد هارول، بر الگوی جریان، توزیع دما، شار گرمایی تابشی و همچنین آلاینده NO مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به تاثیر چرخش بر رفتار دینامیکی جریان از رابطه جدیدی که مبتنی بر مولفه­های مماسی و محوری سرعت جریان است برای تعیین و تحلیل عدد چرخش استفاده شده است. همچنین محاسبات واکنش­های شیمیایی احتراق با استفاده ازEddy Dissipation Model  و محاسبات جریان سیال و انتقال گرمای تابشی با استفاده از مدل­های k-ɛ standard و P-1 صورت گرفته است. مقایسه نتایج به دست آمده در تحقیق حاضر با نتایج تجربی موجود، بیانگر تطابق بسیار بهتر حل حاضر نسبت به تحقیقات مشابه است. نتایج نشان می­دهد که افزایش عدد چرخش هوای ورودی از 0/0 تا 6/0 با ایجاد و تقویت ناحیه گردابه داخلی در هسته مرکزی کوره باعث مکش محصولات احتراق به درون این ناحیه و ترکیب آنها با مخلوط سوخت و هوا و در نتیجه بهبود راندمان احتراق و حذف نقاط متمرکز دما بالا به عنوان منبع اصلی تشکیل آلاینده NO می­گردد. همچنین افزایش عدد چرخش به دلیل پخش جریان در راستای شعاعی و افزایش سطح تبادل حرارتی شعله، به رغم کاهش دمای حداکثر شعله، شار گرمایی تابشی متوسط شعله را به میزان %3/31 افزایش و آلاینده NO را به میزان 6/58% کاهش می­دهد.

کلیدواژه‌ها


 
[1] H. Tsuji, A. K. Gupta, T. Hasegawa, M. Katsuki, K. Kishimoto, and M. Morita, High temperature air combustion: from energy conservation to pollution reduction: CRC press, 2002.
 [2]J. Lewtas, "Air pollution combustion emissions: characterization of causative agents and mechanisms associated with cancer, reproductive, and cardiovascular effects," Mutation Research/Reviews in Mutation Research, vol. 636, pp. 95-133, 2007.
[3] X. Xu, C. Chen, H. Qi, R. He, C. You, and G. Xiang, "Development of coal combustion pollution control for SO 2 and NO x in China," Fuel Processing Technology, vol. 62, pp. 153-160, 2000.
[4] A. Frassoldati, S. Frigerio, E. Colombo, F. Inzoli, and T. Faravelli, "Determination of NOx emissions from strong swirling confined flames with an integrated CFD-based procedure," Chemical Engineering Science, vol. 60, pp. 2851-2869, 2005.
[5] H. Poorhoseinni, A. Saeedi, and M. Moghiman, "Experimental and numerical investigation of the inlet air swirl angle effects on temperature profile and CO, NO pollutants," Energy Engineering Management, vol. 2, pp. 32-39, 2012.
[6] L. Zhou, X. Chen, and J. Zhang, "Studies on the effect of swirl on no formation in methane/air turbulent combustion," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 29, pp. 2235-2242, 2002.
[7] R. K. Cheng, "Low swirl combustion," The Gas Turbine Handbook, pp. 241-255, 2006.
[8] K. Bashirnezhad, M. Moghiman, and M. Mousavi, "On the Dependence of Soot formation and Combustion on swirling combustion Furnaces: Measurement and Simulation," JAST-TEHRAN-, vol. 3, p. 205, 2006.
[9] F. Bonatesta, A. La Rocca, P. Shayler, and E. Wahab, "The influence of swirl ratio on soot quantity and distribution in the cylinder of a diesel engine," in Third European Combustion Meeting ECM, 2007.
[10] M. E. Feyz, S. I. Pishbin, M. Ghazikhani, and S. M. Razavi, "Parametric assessment of a low-swirl burner using the exergy analysis," Energy, vol. 79, pp. 117-126, 2015.
[11] Y. Huang and V. Yang, "Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion," Progress in Energy and Combustion Science, vol. 35, pp. 293-364, 2009.
[12] N. Wilkes, P. Guilbert, C. Shepherd, S. Simcox, H. C. S. UKAEA Atomic Energy Research Establishment, S. Div., et al., The application of HARWELL-FLOW3D to combustion problems: UKAEA Atomic Energy Research Establishment Computer Science and Systems Division, 1989.
[13] E. Keramida, H. Liakos, M. Founti, A. Boudouvis, and N. Markatos, "Radiative heat transfer in natural gas-fired furnaces," International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 43, pp. 1801-1809, 2000.
[14] N. Syred and J. Beer, "Combustion in swirling flows: a review," Combustion and flame, vol. 23, pp. 143-201, 1974.
[15] B. F. Magnussen and B. H. Hjertager, "On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion," Symposium (International) on Combustion, vol. 16, pp. 719-729, 1977.
[16] A. Fluent, "14.5, Theory Guide; ANSYS," Inc., Canonsburg, PA, 2012.
[17] M. Ilbas, "The effect of thermal radiation and radiation models on hydrogen–hydrocarbon combustion modelling," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 30, pp. 1113-1126, 2005.
[18] I. Yılmaz, "Effect of swirl number on combustion characteristics in a natural gas diffusion flame," Journal of Energy Resources Technology, vol. 135, p. 042204, 2013.