احتراق دو جریانی، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (احتراق دو جریانی)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی احتراق دو جریانی (two-stream combustion) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

واکنش احتراق زمانی رخ می‌دهد که هوا با سوخت هیدروکربنی ترکیب می‌شود تا انرژی سوخت را به انرژی گرمایی تبدیل کند. گاهی اوقات از دو جریان سوخت برای انجام واکنش احتراق استفاده می‌شود. واکنشی که در آن دو جریان سوخت با یک اکسید کننده واکنش می‌دهند، احتراق دو جریانی نامیده می‌شود.

در این پروژه، یک محفظه احتراق استوانه‌ای افقی مدل سازی شده است. متان (CH₄) و دیزل (C₁₂H₂₃) به عنوان سوخت برای ترکیب با اکسیدان برای تولید یک واکنش احتراق استفاده می‌شود.

در این محفظه احتراق، چهار ورودی مجزا برای هر سوخت اولیه، سوخت ثانویه و جریان اکسید کننده تعبیه شده است. جریان CH₄ با دبی 0.02 کیلوگرم بر ثانیه و دمای 810 کلوین، جریان C₁₂H₂₃ با دبی 0.02 کیلوگرم بر ثانیه و دمای 723 کلوین و اکسید کننده با دبی 1.2 کیلوگرم بر ثانیه و دما 530 کلوین وارد محفظه احتراق می‌شود.

هندسه حاضر در یک مدل سه بعدی با استفاده از نرم افزار دیزاین مدلر (Design Modeler) طراحی شده است. ناحیه محاسباتی مربوط به فضای داخلی یک محفظه احتراق استوانه‌ای افقی است. در قسمت ورودی این محفظه احتراق، چهار ورودی برای سوخت اولیه، سوخت ثانویه و جریان هوا طراحی شده است.

سپس مش بندی مدل حاضر با استفاده از نرم افزار (ANSYS Meshing) انجام شده است. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد سلول‌های تولیدی برابر با 505082 است.

روش‌های استفاده شده

مدل گونه‌ها (species model) برای تعریف واکنش احتراق در این شبیه سازی عددی استفاده شده است. مدل گونه‌ها نیز در حالت احتراق غیر پیش آمیخته (non-premixed combustion) تعریف شده است.

در این نوع احتراق، سوخت و اکسید کننده از طریق مسیرهای جداگانه وارد منطقه واکنش محفظه احتراق می‌شوند؛ یعنی قبل از ورود به محفظه احتراق با همدیگر مخلوط نمی‌شوند. در مدل احتراق غیر پیش آمیخته، از تعریف کسر مخلوط (mixture fraction) استفاده می‌شود که نشان دهنده کسر جرمی حاصل از جریان سوخت است. همچنین از آنجایی که در این محفظه احتراق از سوخت ثانویه استفاده می شود، جریان ثانویه (secondary stream) باید فعال شود.

نتایج

پس از پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی و سه بعدی مربوط به فشار، سرعت، دما و کسر جرمی (mass fraction) گونه‌ها (CH₄ ،CO₂ ،C₁₂H₂₃ ،O₂ ،H₂O H₂ ،CO)، کسر حجمی آب مایع، و کسر حجمی بخار آب به دست می‌آیند. .

نتایج نشان می‌دهد که دما در ناحیه واکنش به طور قابل توجهی افزایش می‌یابد. به عبارت دیگر، در جایی که جریان سوخت اولیه و ثانویه و جریان اکسید کننده در داخل محفظه احتراق ترکیب می‌شوند، واکنش احتراق رخ می‌دهد. درنتیجه، انرژی حرارتی بالایی تولید می‌شود.

همچنین، در ابتدای محفظه احتراق، کسر جرمی هر واکنش دهنده (شامل CH₄ ،C₁₂H₂₃ و O₂) کاهش می‌یابد و سپس مقدار هر یک از محصولات واکنش (مانند CO₂ ،CO ،H₂O و غیره) افزایش می‌یابد. این نشان می‌دهد که واکنش احتراق به درستی انجام می‌شود و درنتیجه این واکنش، سوخت و جریان‌های اکسید کننده به محصولات واکنش تبدیل می‌شوند.