آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق

آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق


750,000 تومان

( آخرین بروزرسانی : 14 شهریور, 1401 )

بررسی اجمالی محصول

با خرید این محصول، ویدئوی آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق در نرم افزار ansys fluent به همراه فایل شبکه بندی آن (msh.) را دریافت خواهید کرد.

نقد و بررسی : آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق

شرح مسأله

مسأله ی حاضر مربوط به شبیه ­سازی یک محفظه­ ی احتراق درون مشعل می­باشد. درواقع، مشعل دستگاهی است که با ترکیب مقدار معینی هوا با سوخت در یک فضای ایمن، انرژی سوخت را به انرژی گرمایی تبدیل می­کند که در اثر این فرایند احتراق، مقداری گاز نیز تولید می­شود. شعله­ ی تولید شده در مشعل، توسط دو روش جابه­ جایی و تشعشع به محیط داخلی محفظه انتقال می­یابد. بدین ترتیب در مدل حاضر، باید از مدل تشعشعی (radiation) نیز استفاده شود. همچنین، از آنجایی که درون مفظه فرایند احتراق اتفاق می­افتد، از مدل گونه ­های گازی (species) نیز استفاده می­شود. نحوه­ ی عملکرد این مشعل بدین گونه است که سوخت از یک ورودی مخصوص جت سوخت به فضای درون محفظه پاشش می­یابد و همچنین جریان­ های گاز به صورت متقارن از چهار جهت وارد فضای درون مشعل می­شود و درنتیجه با ترکیب سوخت و هوا شعله شکل می­گیرد. ضمناً سیستم کاری محفظه بدین صورت است که مسیر جریان گازی درون محفظه به صورت سیکلی است و مقداری از آن از بخش اگزوز خارج شده و بخش دیگری از آن نیز از همین مسیر سیکلی بازگشتی به درون محفظه باز می­گردد. شکل 1 شماتیکی از این مدل را نشان می­دهد.

شکل 1 : شماتیکی از ساختمان مشعل

 

برای شبیه­ سازی حاضر از چند فرض استفاده شده است:

  • حل مسأله بر اساس دیدگاه pressure-based انجام گرفته است.
  • شبیه­ سازی مذکور از نظر زمانی به صورت پایا (steady) می­باشد.
  • اثر گرانش زمین بر روی مدل نادیده گرفته شده است.

 

گام 1) ترسیم هندسه و شبکه­ بندی

هندسه­ ی مدل حاضر به صورت سه­ بعدی و با استفاده از نرم ­افزار design modeler طراحی شده است. از آنجایی که مدل حاضر دارای ساختمان متقارنی می­باشد، فقط یک قطاعی از آن با زاویه­ ی نود درجه ترسیم شده است و دو سطح جانبی قطاع حاضر به عنوان symmetry عمل می­کنند. مدل از سه لوله با قطر کوچک تحت عنوان مجراهای ورودی (دو لوله مخصوص ورودی هوا و یک لوله مخصوص ورودی سوخت) و یک لوله با قطر کوچک تحت عنوان مجرای خروجی (اگزوز) تشکیل شده است. شکل 2 نمایی از هندسه­ ی ترسیمی را نشان می­دهد.

شکل 2 : نمایی از هندسه ­ی ترسیمی

 

شبکه ­بندی مدل حاضر توسط نرم ­افزار ansys meshing انجام گرفته است. شبکه ­بندی به صورت بدون سازمان انجام شده و تعداد سلول­ ها معادل 1107286 می­باشد. در مقاطع ورودی­ ها و خروجی، جهت افزایش دقت در رفتار سیال، از مش لایه مرزی استفاده شده است. شکل 3 نمایی از شبکه­بندی انجام گرفته را نشان می­دهد.

 

شکل 3 : نمایی از شبکه ­بندی

 

 

گام 2) مراحل شبیه ­سازی

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

استفاده از مدل radiation

به طور کلی انتقال حرارت سیالات در سه دسته صورت می­گیرد که شامل انتقال حرارت هدایتی، انتقال حرارت جابه­ جایی و انتقال حرارت تشعشعی می­باشد. انتقال حرارت تشعشعی عبارت است از انتقال حرارتی که از طریق امواج الکترومغناطیسی صورت می­گیرد. از آنجایی که این امواج با سرعت نور منتقل می­شوند، بنابراین سرعت انتقال انرژی در این حالت نیز برابر با سرعت نور است. به طور کلی، همه­ ی اجسام در دمایی مشخص، از سطح خود حرارتی را تابش می­کنند که به عنوان انتقال حرارت تشعشعی شناخته می­شود؛ بدین ترتیب می­توان گفت که علت اصلی انتقال حرارت تشعشعی، حرکات دورانی و ارتعاشی مولکول­ها، اتم­ها و الکترون­هاست که درواقع مقدار دما برایند این تحرکات را نشان می­دهد. انتقال حرارت تشعشعی جزء پدیده­ های حجمی است؛ هرچند برای اجسام ماتی همچون فلزات، تابش به صورت سطحی اتفاق می­افتد.

انرژی تشعشعی خارج شده از سطح درون یک محیط به وسیله­ی رابطه­ی استفان بولتزمن به دست می­آید که در آن، T دمای سطح و محیط، Ԑ معادل ضریب صدور (برای اجسام سیاه برابر یک) و ضریب ثابت σ برابر 5.67*108 می­باشد:

مدل­های انتقال حرارت تشعشعی مختلفی در نرم ­افزار فلوئنت وجود دارند که شامل مدل­های DO، DRTM، P1، S2S، Rosseland، MC و solar ray tracing می­شود.

از مدل discrete ordinates model DO برای مواردی استفاده می­شود که معادلات انتقال حرارت تشعشعی برای تعداد گسسته­ای از زوایای محدود جامد حل می­شوند. مزایای آن عبارت است از این که جامع ­ترین مدل تشعشعی است، دقت حل با استفاده از گسست ه­سازی بهتر افزایش می­یابد، روشی پایستار است که منجر به موازنه­ی انرژی حرارتی برای گسسته­ سازی درشت می­شود، و قابل استفاده برای حالت پراکندگی و پخش نور، محیط ­های نیمه شفاف، صفحات براق مثل آیینه و انتقال وابسته به طول موج با به­ کارگیری محیط خاکستری می­باشد؛ در حالی که محدودیت آن عبارت است از این که حل آن با تعداد زیادی زاویه برای cpu سنگین است.

از مدل discrete transfer radiation model DTRM برای مواردی استفاده می­شود که بتوان تشعشع در حال ترک از یک المان سطحی در بازه­ای پیوسته و مشخص از زوایای جامد را به صورت یک اشعه­ی منفرد در نظر گرفت. مزایای آن عبارت است از این که مدل نسبتاً ساده­ای است، قابلیت افزایش دقت را با افزایش تعداد اشعه­ ها دارد، و می تواند به بازه­ ی گسترده ­ای از ضخامت­های نوری اعمال گردد؛ در حالی که محدودیت­های آن عبارت است از این که تمام صفحات منتشرکننده هستند، اثر پخش و پراکندگی تابش در نظر گرفته نمی­شود، و حل آن با تعداد زیادی اشعه برای cpu بسیار سنگین است.

از مدل P1 برای مواردی استفاده می­شود که استقلال از جهت یا راستا در معادلات انتقال حرارت تشعشعی ادغام شود و در نتیجه منجر به یک معادله­ی پخش یا انتشار برای تابش­ های تصادفی می­باشد. مزایای آن عبارت است از این که معادله­ ی انتقال حرارت تشعشعی به راحتی با cpu پایین نیز حل می­شوند، اثرات پراکندگی نور را شامل می­شود مثل اثرات ذرات و یا قطرات آب و یا دوده، و در کاربردهایی مثل احتراق که دارای ضخامت نوری بالایی هستند به خوبی عمل می­کند؛ در حالی که محدودیت­ های آن عبارت است از این که تمام صفحات منتشر کننده هستند، ممکن است در مواردی دارای نتایجی با دقت پایین باشد به­ خصوص در هندسه­ های دارای ضخامت کوچک، و متمایل به پیش­بینی شارهای تابشی از منابع حرارتی محلی یا چشمه ­هاست.

از مدل surface to surface radiation model S2S برای مواردی استفاده می­شود که در موقعیت مربوط به مدلسازی تشعشع، هیچ محیط مادی­ای وجود نداشته و یا در مدلسازی تشعشع دخالت نداشته باشد. از جمله مثال ­های مربوط به این مدلسازی تشعشعی شامل سیستم­های کلکتور خورشیدی، سیستم حرارت پس­ دهی فضاپیما، هیتر فضایی تابشی و سیستم­های خنک­ کاری زیرزمینی خودرویی می­باشد. همچنین این مدل مبتنی بر ضریب دیدها می­باشد و برای حالت های بدون دخالت محیط جوابگوست. محدودیت­های آن عبارت است از این که نیاز به فضای ذخیره­ سازی مورد نظر به سرعت افزایش می­یابد وقتی تعداد صفحات افزایش می­یابد، فرض می­شود که تشعشع از نوع خاکستری است، تمام صفحات منتشر کننده هستند، و در شرایط مرزی متقارن یا متناوبی مورد استفاده قرار نمی­گیرد.

مدل splar ray tracing تحت عنوان الگوریتم ردیابی اشعه ­ای برای انتقال انرژی حرارتی ناشی از خورشید می­باشد که با سایر مدل­ های تشعشعی سازگاری داشته و فقط برای مدل­های سه­ بعدی مورد استفاده قرار می­گیرد. مشخصه­ های این مدل نیز شامل بردارهای راستای خورشید، شدت خورشیدی (از نظر تابش مسقیم و انتشار پراکنده)، محسابه ­گر خورشیدی جهت محاسبه­ ی جهت و شدت تابش مستقیم با استفاده از حداکثرهای تئوری و یا شرایط متعادل هوایی می­باشد.

به ­طور کلی برای انتخاب بهترین مدل انتقال حرارت تشعشعی در مسائل مختلف بدین صورت عمل می­گردد:

  • از نگاه زحمت محاسباتی: P1 دارای دقت منطقی اما با زحمت پایین
  • از نگاه دقت حل: DO و DTRM دارای دقت بیشتر
  • از نگاه ضخامت نوری : DTRM و DO مناسب برای ضخامت نوری نازک (𝛂L≪1) و P1 مناسب برای ضخامت نوری ضخیم
  • از نگاه پراکندگی یا پخش : P1 و DO مناسب برای پراکندگی
  • از نگاه اثرات ذراتی : P1 و DO برای تغییر تشعشعی بین گاز و ذرات ریز مناسب است
  • از نگاه منابع حرارتی محلی : DO و DRTM با تعداد به اندازه­ی کافی بالای اشعه­ها مناسب­تر هستند

 

non-gray model : به طور کلی به سطوحی که تشعشع آنها مستقل از مسیر است، سطوح پخش کننده (diffuse surface) می­گویند و به سطوحی که تشعشع آنها مستقل از طول موج است، سطوح خاکستری (gray surface) می­گویند. لذا برای شبیه­ سازی مدل­های تشعشعی غیرخاکستری، نیاز به تعریف طیف­ های دارای طول موج مشخص (دارای طول موج شروع و پایان بر حسب میکرومتر) است. در اینجا نیز افزایش تعداد طیف­های نوری موجب افزایش هزینه­ی محاسباتی می­شود.

emissivity در شرایط مرزی : به نسبت انرژی ساطع شده توسط یک سطح به انرژی ساطع شده توسط یک جسم سیاه (جسمی که کامل­ترین جذب کننده و ساطع کننده می­باشد یا به عبارتی دیگر، هیچ جسمی در یک دما و طول موج مشخص، نمی­تواند بیشتر از جسم سیاه انرژی ساطع کند) در یک دمای یکسان، ضریب انتشار یا گسیلندگی (emissivity) می­گویند که همواره دارای مقداری بین صفر و یک می­باشد. این ضریب انتشار برای مقاطع ورودی و خروجی استفاده می­شود. همچنین سطوح زبر دارای بازتاب­های انتشار تشعشعی پراکنده و تصادفی می­باشند و سطوح صیقلی مثل آینه­ها دارای شرط مرزی انعکاسی می­باشند. شرط مرزی نیمه­ شفاف (semi-transparent) برای مدلسازی مواردی مثل تخته ­های شیشه­ای موجود در هوا استفاده می­شود و از مدل مات (obaque) برای مدلسازی دیوارهای مات که مانند اجسام خاکستری رفتار می­کنند، استفاده می­شود و سپس می­توان کسر انتشار (diffuse fraction) را تعیین کرد که معادل کسر شار تشعشعی بازتابی در قالب انتشار می­باشد؛ بدین ترتیب که وقتی برابر یک است، یعنی تمام تشعشع به صورت انتشاری است و وقتی برابر صفر است، یعنی تشعشع بازتابی ضعیفی وجود دارد.

 

استفاده از مدل sprcies

از مدل گونه­ های گازی یا species برای شبیه ­سازی انتقال گونه ­های گازی، واکنش شیمیایی گونه ­های گازی و فرایند احتراق مورد استفاده قرار می­گیرد. مدل­های مختلفی برای گونه های گازی وجود دارد که شامل انتقال گونه­ ها (species transport)، احتراق پیش­ آمیخته (premixed combustion)، احتراق غیرپیش­ آمیخته (non-premixed combustion) و احتراق پیش ­آمیخته­ جزئی (partially premixed combustin) می­باشند.

مدل species transport به شبیه ­سازی اختلاط و انتقال گونه­ های گازی با حل معادلات بقا شامل منابع جابه­جایی، دیفیوژن و واکنش برای هر یک از گونه­ها می­پردازد. با این مدل، واکنش­های شیمی چندگانه با واکنش­های در حال اتفاق در فاز بالکی (همان واکنش­های حجمی)، روی دیواره­ها، بر سطوح ذرات و در نواحی متخلخل می­توانند شبیه­سازی شوند.

مدل premixed combustion دارای ویژگی­خایی است که عبارتند از این که سوخت و اکسید کننده به صورت مولکولی پیش از اشتعال اختلاط می­یابند، انتقال یا توسعه­ی شعله از سمت محصولات داغ به سمت واکنش دهنده­های سرد می­باشد، نرخ توسعه­ی شعله یا همان سرعت شعله بستگی به ساختار شعله­ی داخلی دارد، و آشفتگی شکل شعله­ی لمینار را دچار اعوجاج کرده و توسعه­ی شعله را شتاب می­دهد. لازم به ذکر است که برای شبیه­سازی شعله­ی واکنشی توربولانسی، اگر از دیدگاه کسر مخلوطی (mixture fraction) استفاده شود، باید از مدل احتراق غیرپیش­آمیخته استفاده شود، و اگر از دیدگاه متغیر پیشروی واکنش (reaction prograss) استفاده شود، باید از مدل پیش­آمیخته استفاده گردد.

مدل non-premixed combustion دارای ویژگی­هایی است که عبارت­اند از این که سوخت و اکسید کننده از مسیرهای جریان جداگانه وارد منطقه­ی واکنش می­شوند یعنی قبل از ورود به محفظه، پیش آمیخته نمی­شوند مثل موتورهای احتراق داخلی دیزلی و کوره­های ذغال سنگ مایع، انتقال حرارت جابه­جایی یا دیفیوژن واکنش دهنده­ها از هر طرف به سمت ورق شعله خواهد بود، آشفتگی شکل شعله­ی لمینار را دچار اعوجاج کرده و اختلاط را تقویت می­کند، و ممکن است احتراق به یک مسأله­ ی اختلاطی ساده ­سازی شود و مشکلات مرتبط با نرخ واکنش­های متوسط غیرخطی کنار گذاشته شود. در این مدل، از تعریف کسر مخلوطی (mixture fraction) که بیانگر کسر جرمی نشأت گرفته از جریان سوخت است (دارای نماد f)، استفاده می­شود که همان کسر جرمی محلی المان­های جریان سوختی سوخته و نسوخته (مثل C و H و …..) در گونه ­های گازی مختلف (مثل CO2 و H2O و O2 و …..) می­باشد.

 

گام 3) نتایج نهایی

پس از فرایند حل، کانتورهای دو بعدی و سه بعدی مربوط به دما، فشار، سرعت و همچنین کسر جرمی گونه­ های گازی O2، CO2، H2O و CH4 حاصل شده است. کانتورهای دو بعدی و سه بعدی با استفاده از تکنیک­ های دوران و بازتاب در حجم و سطح مقطع کامل ترسیم شده ­اند. شکل­های 4 الی 15 نتایج حاصل را نشان می­دهد.

دیدگاه

دیدگاهی ثبت نشده.

اولین نفری باشید که نظر می دهید برای “آموزش شبیه سازی مشعل یک محفظه احتراق”