شبیه سازی احتراق درون یک محفظه احتراق با استفاده از مدل Species Transport

شبیه سازی احتراق درون یک محفظه احتراق با استفاده از مدل Species Transport

در صد سال گذشته، با افزایش استفاده از سوخت های فسیلی و همچنین گسترده شدن موارد استفاده از اینگونه سوخت ها، افزایش چشم گیری در استفاده از محفظه احتراق در شکل ها و انواع مختلف در صنایع مختلف، نیروگاها، هواپیماها و راکت ها، خودروسازی، کوره های صنعتی و ….. رخ داده است. در این میان بالا بردن بازدهی استفاده از اینگونه سوخت ها همواره مورد توجه بوده و سعی شده است تا بیشترین بازدهی ممکن از این سوخت ها برداشت شود. طراحی و تحلیل محفظه احتراق نیز یکی از مواردی بوده که همواره به منظور بالا بردن راندمان احتراق مورد توجه طراحان بوده است. اما استفاده بیشمار از اینگونه سوخت ها و فراگیر شدن اینگونه سوخت ها در تمامی شکل های زندگی انسان موجب شده است تا میزان آلایندگی حاصل از سوخت های فسیلی  به یکی از مهمترین نگرانی های بشر امروزی بدل شود. بررسی میزان و نوع آلودگی های تولید شده حاصل از احتراق سوخت های فسیلی از مواردی می باشد که در حال حاضر از مهمترین مسائل مورد نظر دانشمندان به شمار می رود.

تعریف احتراق

به ترکیب یک یا چند ماده ­ی سوختنی مثل هیدروکربن­ها با یک ماده­ ی اکسیدکننده مثل اکسیژن در قالب یک فرایند گرمازا احتراق می­گویند؛ به طوری که منجر به تولید گرما و نور و درنتیجه افزایش دمای محیط می­شود. نمونه ه­ای از واکنش احتراق در عبارت پایین آمده است:

محفظه احتراق

محفظه احتراق از لوله­ ی مخصوص ورودی هوا و سوخت ­پاش و یک شمعک تشکیل شده است که فرایند احتراق را درون خود با اختلاط هوا و سوخت شکل می­دهد. شکل 1 نمایی از محفظه ­ی احتراق را نمایش می­دهد.

شکل 1 : شماتیکی از ساختار محفظه­ی احتراق

شرح مسأله

برای حل مسأله ­ی حاضر، چند فرض لحاظ شده است:

• شبیه­ سازی از نظر زمانی به صورت پایا انجام می گیرد.
• جریان تراکم­ ناپذیر فرض شده است؛ از این­رو، حل به صورت pressure-based انجام گرفته است.
• اثر گرانش زمین در حل مسأله لحاظ گردیده است.

گام 1) تعریف هندسه

هندسه­ ی مدل حاضر به صورت سه بعدی و با استفاده از نرم­افزار design modeler ترسیم شده است. درون محفظه­ ی احتراق از سه بخش اصلی شامل لوله ­ی ورودی هوا، مقطع سوخت­پاش و لوله­ ی خروجی جریان تشکیل شده است. درون محفظه، دیواره­ای با ضخامت نسبتاً کم قرار گرفته است که چند حفره با ابعاد مختلف روی آن کار شده است؛ بدین صورت که حفره­ های ریز اولیه جهت خنک­کاری دیواره ­ی محفظه با ایجاد جریان لایه ه­ای و حفره­ های درشت­تر بعدی جهت حفظ شعله در وسط محفظه می­باشد. شکل 2 نمایی از هندسه­ ی ترسیمی را نشان می­دهد.

شکل 2 : نمایی از محفظه ­ی احتراق

گام 2) شبکه­ بندی

شبکه­ بندی مدل حاضر با استفاده از نرم­افزار ansys meshing انجام گرفته است. مش استفاده شده از نوع بدون سازمان (unstructure) می­باشد. از شبکه ­بندی مثلثی استفاده شده است و تعداد سلول­ های تولیدی در مدل برابر 694928 می­باشد. شکل 3 نمایی از شبکه ­بندی انجام گرفته را نشان می­دهد.

شکل 3 : نمایی از شبکه ­بندی

گام 3) تعریف set up و حل مسأله

خلاصه­ هایی از مراحل تعریف مسأله و تعریف حل آن در جدول 1 آمده است :

مدل آشفته k-epsilon-RNG : از آنجایی که جریان درون محفظه­ ی احتراق نسبتاً پیچیده می­باشد و از طرفی مدلسازی به صورت پایا انجام گرفته است، از مدل k-epsilon-RNG استفاده شده است.

گونه انتقال : برای تعریف فرایند احتراق درون محفظه از مدل گونه ­های انتقال استفاده شده است. در این مدل، معادلات بقا و مومنتوم برای تمام گونه­ های تعریف شده محاسبه می­گردد. واکنش مورد نظر در شبیه­ سازی کنونی، ترکیب هوا و سوخت می­باشد؛ در این مسأله، واکنش سوختن متان با اکسیژن در دو مرحله انجام می­گیرد؛ بدین صورت که شش گونه در واکنش دخالت دارند که عبارت­اند از: متان، اکسیژن، نیتروژن، بخار آب، کربن دی­اکسید و کربن مونواکسید. با توجه به این که ترکیب سوخت و هوا در حجم صورت می­گیرد، از گزینه­ی volumetric استفاده شده است. از آنجایی که معیار واکنش احتراق حاضر، برمبنای میزان اختلاط بین سوخت و هوا فرض شده است، باید از eddy-dissipation استفاده کرد. همچنین، به دلیل این که در این واکنش، منابع انرژی وجود دارد، از گزینه­ ی diffusion energy source استفاده شده است. همچنین، در حین یک واکنش شیمیایی امکان بروز آلایندگی­ هایی وجود دارد که در واکنش حاضر، اکسیدهای نیتروژن ایجاد شده شامل NO و NO₂ که اصطلاحاً NO_x نامیده می­شوند، به عنوان آلاینده­ ی واکنش می­باشند. یکی از علل اصلی رشد نرخ ایجاد این اکسیدهای نیتروژن، افزایش بیش از حد مجاز دما درون محفظه­ ی احتراق می­باشد.

روش حل coupled : از آنجایی که مدل حاضر دارای تأثیر نیروی شناوری هوا می­باشد و همچنین جریان درون محفظه دارای چرخش می­باشد، مدل coupled برای حل کوپلینگ فشار و سرعت در این مسأله، مناسب­ترین روش است.

گونه­ های تعریف شده در شرایط مرزی و شرایط اولیه: در بخش ورودی سوخت، تنها سوخت متان وارد می­گردد؛ از این­رو، نسبت جرمی آن برابر یک می­باشد و کسر حجمی سایر گونه­ های گازی معادل صفر است. در بخش ورودی هوا، فقط هوا وارد می­شود که شامل 0.23 درصد اکسیژن و 0.77 درصد نیتروژن می­باشد؛ زیرا در این مسأله فرض بر این است که هوا شامل 23 درصد اکسیژن و 77 درصد نیتروژن است. نسبت جرمی گونه­های گازی در بخش خروجی نیز مانند بخش ورودی هواست. همچنین در حالت اولیه فرض شده است که فقط هوا درون محفظه وجود دارد که شامل 0.23 اکسیژن می­باشد.

گام 4) بررسی نتایج حاصل

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای مربوط به کسر حجمی اکسیژن موجود در هوا، کسر حجمی سوخت متان، کسر حجمی آلاینده­ی NO، فشار و دما به ترتیب در شکل­های 4، 5، 6، 7 و 8 نشان داده شده است.

خدمات شرکت پردازشگران مهر

برای شبیه سازی و تحلیل احتراق درون یک محفظه احتراق با استفاده از مدل Species Transport در نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) با ما تماس بگیرید. شرکت ما کارشناسان را در زمینه های مختلف مهندسی جمع آوری کرده است تا از کیفیت شبیه سازی CFD اطمینان حاصل شود. شرکت مهر اولین شرکتی است که شما می توانید با اطمینان خاطر سفارش پروژه CFD خود را آنلاین انجام دهید. یکی از اهداف ما این است که استفاده از روش های قدرتمند محاسباتی دینامیک سیالات را افزایش داده و مهندسان و کسانی که به دنبال دانش حرفه ای در CFD هستند را آموزش دهیم.

شبیه سازی های دینامیک سیالات محاسباتی با خدمات ما آسان خواهد شد. برای آموزش کاربرد های CFD و نرم افزارهای شبیه سازی با ما تماس بگیرید. پیشنهاد ما به شما خدمات زیر است. آموزش فلوئنت ,آموزش دینامیک سیالات محاسباتی ,انجام پروژه فلوئنت,مشاوره CFD ,شبیه سازی با فلوئنت,انجام شبیه سازی با فلوئنت,مشاوره پایان نامه فلوئنت,آموزش پایان نامه فلوئنت. مهندسان با تجربه ما مشاوره پیشرفته و پشتیبانی فنی مناسب را برای پروژهای دانشگاهی و صنعتی در اختیار شما قرار خواهند داد. شرکت پردازشگران مهر دارای سال ها تجربه در مدیریت و انجام پروژه های CFD است. ما آماده ایم که بهترین خدمات شبیه سازی را در فیلدهای مختلف مهندسی به شما ارائه دهیم.