احتراق

احتراق (Combustion) چیست؟

احتراق یک فرآیند شیمیایی است که در آن یک ماده به سرعت با اکسیژن واکنش می‌دهد و گرما آزاد می‌کند. ماده اصلی را سوخت (fuel) و منبع اکسیژن را اکسید کننده (oxidizer) می‌نامند. سوخت می‌تواند جامد، مایع یا گاز باشد. اکسید کننده نیز می‌تواند جامد، مایع یا گاز باشد اما معمولاً گاز (هوا) است. مواد شیمیایی از سوخت و اکسید کننده در طی احتراق ایجاد می‌شود. به این مواد اگزوز (exhaust) می‌گویند. بیشتر اگزوز از ترکیب شیمیایی سوخت و اکسیژن به وجود می‌آید. وقتی یک سوخت مبتنی بر هیدروژن کربن (مانند گازوئیل) می‌سوزد، اگزوز از آب (هیدروژن + اکسیژن) و کربن دی‌اکسید (کربن + اکسیژن) تشکیل می‌شود. اما اگزوز همچنین می‌تواند شامل ترکیبات شیمیایی از اکسید کننده به تنهایی باشد. اگر گازوئیل در هوایی سوزانده شود که حاوی 21٪ اکسیژن و 78٪ نیتروژن است، اگزوز می‌تواند شامل اکسیدهای نیتروژن (NOX، نیتروژن + اکسیژن) نیز باشد. دمای اگزوز به دلیل انتقال حرارت به اگزوز در زمان احتراق بالا است. به دلیل دماهای بالا، اگزوز معمولاً به صورت گاز ظاهر می‌شود، اما ممکن است محصولات اگزوز مایع یا جامد وجود داشته باشد. به عنوان مثال، دوده (soot) نوعی اگزوز جامد است که در برخی از فرآیندهای احتراق رخ می‌دهد.

وقتی که سوخت و اکسید کننده در طی احتراق به محصولات اگزوز تبدیل می‌شوند، گرما تولید می‌شود. جالب اینجاست که برای شروع احتراق مقداری منبع گرما نیز ضروری است. گازوئیل و هوا در مخزن سوخت خودرو شما وجود دارد، اما احتراق رخ نمی‌دهد، زیرا منبع گرما وجود ندارد. از آنجایی که گرما هم برای شروع احتراق لازم است و هم خودش محصول احتراق است، می‌توانیم ببینیم که چرا احتراق به سرعت اتفاق می‌افتد. همچنین، وقتی احتراق شروع می‌شود، ما مجبور نیستیم منبع گرما را تهیه کنیم زیرا گرمای احتراق باعث ادامه کار می‌شود. ما نیاز نداریم که آتش سوزی را روشن نگه داریم. خود آتش به سوختن ادامه می‌دهد.

برای احتراق باید سه چیز وجود داشته باشد: سوختی که باید سوزانده شود، منبع اکسیژن و گرما. درنتیجه احتراق، اگزوز ایجاد می‌شود و گرما آزاد می‌شود. شما می‌توانید فرآیند احتراق را با کنترل مقدار سوخت موجود، مقدار اکسیژن موجود یا منبع گرما کنترل یا متوقف کنید.

شبیه سازی احتراق در نرم افزار ANSYS Fluent

تئوری مربوط به فرآیند احتراق را می‌توان از طریق دو زمینه اصلی مهندسی مکانیک توضیح داد: انتقال جرم و انتقال حرارت. همان‌طور که در پاراگراف قبل ذکر شد، احتراق حاصل سوختن سوخت و هوا در مجاورت گرما است. مخلوط کردن سوخت و هوا و تولید گونه‌های شیمیایی (chemical species) جدید را می‌توان با استفاده از معادله انتقال جرم کوپل شده با معادلات ناویر-استوکس حل کرد. گرمای تولید شده توسط این فرآیند و تأثیر آن بر محیط اطراف را می‌توان با استفاده از معادلات کوپل شده انرژی و ناویر استوکس تحلیل کرد.

فرآیند احتراق در نرم افزار ANSYS FLUENT را می‌توان با استفاده از ماژول گونه‌ها (species model) شبیه سازی کرد. سه مدل پرکاربرد که می‌توانند برای شبیه سازی احتراق در این ماژول مورد استفاده قرار گبیرند، عبارتند از: احتراق پیش آمیخته (premixed)، احتراق غیرپیش آمیخته (non-premixed) و احتراق پیش آمیخته جزئی (partially premixed).

احتراق پیش آمیخته (Premixed Combustion)

مدل احتراق پیش آمیخته دارای این ویژگی است که سوخت و اکسید کننده قبل از احتراق به صورت مولکولی با همدیگر مخلوط می‌شوند. انتقال و انبساط شعله از محصولات گرم به واکنش دهنده‌های سرد اتفاق می‌افتد. نرخ انبساط شعله یا همان سرعت شعله به ساختار داخلی شعله بستگی دارد و توربولانسی شکل شعله لمینار را بهم می‌ریزد و توسعه شعله را تسریع می‌کند. لازم به ذکر است که اگر از دیدگاه کسر مخلوط (mixture fraction) استفاده شود، باید از یک مدل احتراق پیش آمیخته برای شبیه سازی شعله واکنشی توربولانسی استفاده شود. همچنین در صورت استفاده از متغیر توسعه واکنش (reaction progress)، باید از مدل پیش آمیخته (premixed) استفاده شود.

شبیه سازی زیر که توسط کارشناسان گروه پردازشگران مهر انجام شده است، از مدل Premixed برای شبیه سازی احتراق در یک ناحیه متخلخل استفاده می‌کند:

 

احتراق پیش آمیخته در ناحیه متخلخل

احتراق غیرپیش آمیخته (Non-Premixed Combustion)

مدل احتراق غیرپیش آمیخته دارای ویژگی‌هایی است که سوخت و اکسید کننده از مسیرهای جریان جداگانه وارد منطقه واکنش می‌شوند، به این معنی که قبل از ورود به محفظه پیش آمیخته نمی‌شوند، مانند موتورهای احتراق داخلی دیزلی و کوره‌های ذغال مایع، انتقال حرارت یا انتشار واکنش دهنده از هر طرف به ورق شعله، شکل شعله لمینار را تخریب می‌کند و اختلاط را افزایش می‌دهد و ممکن است احتراق را به یک مسأله اختلاط ساده کند و مشکلات مربوط به میانگین نرخ واکنش غیرخطی را از بین ببرد. در این مدل، کسر مخلوط (mixture fraction) را تعریف می‌کنیم، که نشان دهنده کسر جرمی حاصل از جریان سوخت (نماد f) است، که کسر جرمی محلی عناصر سوختی سوخته و نسوخته (مانند C، H …) در گونه‌های گازی مختلف (مانند CO₂، H₂O، O₂ و …) است.

شبیه سازی زیر که توسط کارشناسان پردازشگران مهر انجام شده است از مدل Non-Premixed برای شبیه سازی احتراق استفاده می‌کند:

 

احتراق غیر پیش آمیخته

احتراق پیش آمیخته جزئی (Partially Premixed Combustion)

سیستم‌های احتراق پیش‌ آمیخته جزئی، شعله‌های پیش‌ آمیخته با مخلوط‌های اکسیدکننده , سوخت غیریکنواخت (نسبت‌های هم‌ارز) هستند. چنین شعله‌هایی عبارتند از: جت‌های پیش‌ آمیخته تخلیه‌ شده در یک اتمسفر ساکت، احتراق کننده‌های پیش‌ آمیخته نازک با شعله‌های آزمایشی دیفیوژنی و یا جت‌های هوای خنک‌ کننده، و ورودی‌های مخلوط شده ناقص.

گروه پردازشگران مهر، متخصص در زمینه شبیه‌سازی احتراق

گروه پردازشگران مهر با چندین سال تجربه در شبیه‌سازی مسائل مختلف در زمینه‌های مختلف CFD با استفاده از نرم‌افزار ANSYS Fluent آماده ارائه خدمات گسترده مدل‌سازی، مش‌بندی و شبیه‌سازی براساس نیاز مشتریان می‌باشد. خدمات شبیه سازی برای شبیه سازی‌های احتراق به شرح زیر دسته‌بندی می‌شوند:

• احتراق در احتراق کننده‌های حلقوی
• شبیه سازی CFD احتراق CH₄ (متان) در محفظه شعله گردابه‌ای
• شبیه سازی موتورهای دوزمانه و چهارزمانه در موتور احتراق داخلی به روش مش دینامیکی
• احتراق و انفجار متان در یک لوله دایروی
• احتراق Keresan در محفظه احتراق توربین گازی
• و …..

شما می‌توانید با کلیک برروی لینک زیر، محصولات مرتبط در دسته بندی‌های فوق را در فروشگاه CFD ما بیابید:

https://www.ansysfluent.ir/product-category/fluent-modules/combustion/

خدمات ما محدود به موضوع ذکر شده نیست و گروه پردازشگران مهر آماده انجام پروژه‌های متفاوت و چالش برانگیز است. شما می‌توانید به صورت رایگان و بدون هزینه با کارشناسان ما مشورت کرده و با ارسال جزئیات مسأله به ما از طریق آدرس زیر، پروژه خود را سفارش بدهید.

[email protected]