تاثیر جریان هوای ورودی نوسانی بر توزیع دما و اکسیدهای نیتروژن احتراق آشفته متان-هوا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سمنان، سمنان، ایران

چکیده

در این مطالعه تحلیل عددی اثر ورودی هوای سینوسی بر مشخصه های احتراق آشفته مخلوط متان-هوا مورد بررسی قرار گرفته است. گام زمانی در تحلیل عددی برابر یک هشتم زمان چرخه کامل نوسان در نظر گرفته شده است نتایج حاصل از ورودی هوای نوسانی در سه فرکانس 20، 50 و 100 هرتز با ورودی هوای پایا مقایسه شده است. روش تابع چگالی احتمال (PDF) برای تخمین برهم­کنش آشفتگی و احتراق بکار گرفته شده و برای پیش بینی رفتار آشفتگی جریان از روش k-ε استاندارد استفاده شده است. برای پیش­بینی اکسیدهای نیتروژن حاصل از احتراق، از مکانیزم توسعه­یافته زلدوویچ استفاده شده است. در این تحقیق نتایج شبیه­سازی عددی در حالت پایا مطابقت قابل قبولی با داده­های تجربی دارد. نتایج این تحقیق نشان می دهد که ورودی هوای نوسانی بر اختلاط سوخت و هوا و توزیع کسر مخلوط در محفظه تاثیر قابل توجهی دارد. همچنین استفاده از ورودی هوای نوسانی منجر به افزایش دما و در نتیجه افزایش میزان اکسیدهای نیتروژن در محفظه احتراق خواهد شد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] Fleifil M., Annaswamy A.M., Ghoneim A,A,, Ghoneim A.F., Response of a laminar premixed flame to flow oscillations: A kinematic model and thermoacoustic instability results.Combustion and Flame, 106, pp.487-510, 1996.
[2] Chaparro A.A., Cetegen B.M., Blowoff characteristics of bluff-body stabilized conical premixed flames under upstream velocity modulation, Combustion and Flame 144, pp.318-335, 2006.
[3] Chaudhuri S., Cetegen B.M., Blowoff characteristic of bluff-body stabilized conical premixed flames with upstream spatial mixture gradients and velocity oscillations, Combustion and Flame 153, pp. 616-633, 2008.
[4] Hahn W.A., Wendt J.O.L., NOx formation in flat, laminar, opposed jet methane diffusion flames, Symposium (International) on Combustion 18 (1) pp.121–131, 1981.
[5] N.A. Räkke, J.E. Hustad, O.K. Sänju, F.A. Williams, Scaling of nitric oxide emissions from buoyancy-dominated hydrocarbon turbulent-jet diffusion flames, Symposium (International) on Combustion 24 (1), pp.385–393, 1992.
[6] Chen J.Y., Chang W.C., Flamelet and PDF modeling of CO and NOx emissions from a turbulent, methane hydrogen jet nonpremixed flame, Symposium (International) on Combustion 26 (2), pp.2207–2214, 1996.
[7] Yamashita H., Nishioka M., Takeno T., Prediction of NOx production rate in the turbulent diffusion flame, Energy Conversion and Management 38 (13–10), pp.1343–1352, 1997.
[8] Kok J.B.W., Louis J.J.J., Yu J.H., IRST model for turbulent premixed non-adiabatic methane flames, Combustion Science and Technology 149 (1), pp. 225–246, 1999.
[9] Yamashita H., Numerical study on NOx production of transitional fuel jet diffusion flame, JSME International Journal, Series B 43 (1), pp.97–103, 2000.
[10] Muppala S.P.R., Wen J.X., N.K. Aluri Modelling issues of lean high-pressure turbulent premixed hydrogen-enriched hydrocarbon combustion at gas turbine conditions (Ed.) Collection of Technical Papers - 5th International Energy Conversion Engineering Conference St. Louis, MO 2007, pp. 271–280.
[11] Lopez-Parra F., Turan A., Computational study on the effects of non-periodic flow perturbations on the emissions of soot and NOx in a confined turbulent methane/air diffusion flame, Combustion Science and Technology 179 (7), pp. 1361–1384, 2007.
[12] Wetzel F., Habisreuther P., N. Zarzalis Numerical investigation of lean blow out of a model gas turbine combustion chamber using a presumed JPDF-reaction model by taking heat loss processes into account (Ed.) Proceedings of the ASME Turbo Expo Barcelona 2006, pp. 41–49.
[13] Wang H.F., Chen Y.L., Chen H.L., Liu M.H., Numerical analysis of instantaneous response of the CH4/O2/N2 laminar flamelet, Jisuan Wuli/Chinese Journal of Computational Physics 23 (2), pp.193–198, 2006.
[14] Ilbas M., Yilmaz I., Veziroglu T.N., Kaplan Y., Hydrogen as burner fuel: modelling of hydrogen–hydrocarbon composite fuel combustion and NOx formation in a small burner, International Journal of Energy Research 29 (11), pp.973–990, 2005.
[15] Ilbas M., Yilmaz I., Kaplan Y., Investigations of hydrogen and hydrogen– hydrocarbon composite fuel combustion and NOx emission characteristics in a model combustor, International Journal of Hydrogen Energy 30 (10), pp.1139–1147, 2005.
[16] Santos A., Costa M., Re-examination of the scaling laws for NOx emissions from hydrocarbon turbulent jet diffusion flames (Ed.) International Symposium on Combustion, Abstracts of Works-in-Progress Posters Chicago, IL 2004, pp. 170.
[17] Koseki H., Flame stability limit and exhaust emissions of low calorific fuel combustion in turbulent diffusion combustor for a small-scale fuel cell, JSMEInternational Journal, Series B: Fluids and Thermal Engineering 47 (2), pp. 221–227, 2004.
[18] Dally B.B., Riesmeier E., Peters N., Effect of fuel mixture on moderate and intense low oxygen dilution combustion, Combustion and Flame 137 (4), pp. 418–431, 2004.
[19] F.A.T. Lopez-Parra, A. Computational study on the effect of turbulence intensity and pulse frequency in soot concentration in an acetylene diffusion flame. (Ed.) Intl Conference on Computational Sciences ICCS 2005, LCNS 3516, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg. 2005, pp. 120–128.
[20] F.A.T. Lopez-Parra, A. Computational study on the effect of pulse characteristics on the soot and NOx formation and combustion in diffusion flames. (Ed.) Proc European Combust Meeting Louvain-la-Neuve, Belgium. 2005.
[21] F.A.T. Lopez-Parra, A. Computational study on the effect of turbulence intensity in soot formation and depletion in an acetylene diffusion flame. (Ed.) Proc European Combust Meeting, Louvain-la-Neuve, Belgium 2005.
[22] Brookes S.J., Moss J.B., Measurements of soot and thermal radiation from confined turbulent jet diffusion flames of methane, Combustion and Flame 116, pp. 49–61, 1999.
[23] Saqr K.M., Aly H.S., Sies M.M., Wahid M.A., Effect of free stream turbulence on NOx and soot formation in turbulent diffusion CH4-air flames, International Communications in Heat and Mass Transfer 37, pp. 611-617,2010.
[24] Hsin-Yi Shih, Chi-Rong Liu, A computational study on the combustion of hydrogen/methane blended fuels for a micro gas turbines, International Journal of Hydrogen Energy 39, pp. 15103-15115, 2014.
[25] Sivathanu YR, Faeth GM. Generalized state relationships for scalar properties in non-premixed hydrocarbon/air flames. Combust Flame, 82 (211), 1990. 
[26] Peters N., Turbulent combustion, Cambridge University Press, 2000.
[27] Zeldovich Y.B., The oxidation of nitrogen in combustion and explosions, Acta Physicochimica 21, pp. 577–628, 1946.
[28] R.K. Hanson, S. Salimian, Survey of rate constants in H/N/O systems, in: W.C. Gardiner (Ed.), Combustion Chemistry, 1984.
[29] Haworth D.C., Progress in probability density function methods for turbulent reacting flows, Progress in Energy and Combustion Science 36 (2), pp.168–259, 2010.
[30] Fleifil M., Annaswamy A. M., Ghoneim Z. A., Ghoneim A. F., Response of a laminar premixed flame to flow oscillations: a kinematic model and thermoacoustic instability results, Combustion and Flame, 106: pp.487-510, 1996.
[31] Wang Fang, Xie Xiang, Jiang Qi, Zhou Lixing, Effect of turbulence on NO formation in swirling combustion, Chinese Journal of Aeronautics, 27(4): pp. 797–804, 2014.
[32] Alemi E., Rajabi Zargarabadi M., Effects of jet characteristics on NO formation in a jet-stabilized combustor, International Journal of Thermal Sciences, Vol. 112, pp. 55–67, 2017.