توضیحات
پروژه شبیه سازی احتراق مخلوط پیش آمیخته پروپان-هوا(premixed flame) در محفظه احتراق با پرش شعله و جسم ضخیم مثلثی در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent)
Simulation of Zimont Premixed Flame Propane-Air Combustion in Using ANSYS FLUENT Software
تعریف فرآیند احتراق:
احتراق یا سوختن یک فرآیند شیمیایی برگشت ناپذیر میان یک مادة سوختنی و عامل اکسید کننده است که با تولید گرما و همچنین تولید نور به‌صورت شعله یا درخشش همراه می‌باشد.
احتراق کامل و ناقص:
احتراق کامل احتراقی است که در آن همه کربن و هیدروژن موجود در سوخت بهCO2 و H2O تبدیل شده و درنتیجه حداکثر حرارت ممکن تولید شود. در حالی که در احتراق ناقص معمولاً تمام سوخت موجود نمی‌سوزد و اگر هم تمام آن بسوزد، به محصولات نهایی مثل CO2 و H2O به طور کامل تبدیل نمی‌شود، بلکه تعداد زیادی ترکیبات واسطه مانند CO و OH و … در محصولات احتراق ایجاد می‌شود. احتراق کامل صرفاً یک حالت ایدهآل بوده و در عمل احتراق به‌طور ناقص رخ می‌دهد. برخی از علل مهم ناقص بودن احتراق عبارتند از:
- کافی نبودن مقدار اکسیژن
- مخلوط نشدن کامل سوخت و اکسیژن و تجزیه محصولات احتراق در دماهای بالا.
لذا با افزایش مقدار اکسیژن و بهبود اختلاط سوخت و هوا می‌توان در جهت کامل‌تر شدن احتراق گام برداشت.
سوخت:
هر ماده ای که دراثر ترکیب با اکسیژن و گرما ایجاد نور و حرارت کند ، سوخت نامیده می شود. سوخت ها از ترکیب عنصر مختلف مانند هیدروژن(H )، کربن (C) و مقدار کمی گوگرد (S) تشکیل شده اند و وقتی محترق می شوند هیدروژن سریعتر و با دمای کمتری نسبت به کربن می سوزد. رنگ آبی و زردشعله به ترتیب مربوط به سوختن هیدروژن و کربن می باشد. علت سوختن سریع هیدروژن نسبت به کربن ترکیب سریع آن با اکسیژن هواست.
گرما:
برای اینکه فرآیند احتراق صورت پذیرد باید سوخت به دمای اشتعال خود برسد. برای سوخت های متفاوت دمای اشتعال فرق می کند.
اکسیژن:
برای انجام فرآیند احتراق علاوه بر سوخت و گرما که در بالا توضیح داده شد به اکسیژن نیز نیاز است تا مثلث آتش شکل بگیرد.اکسیژن می توان از هوای اطراف به صورت طبیعی یا بصورت مصنوعی فراهم نمود. هر ماده سوختنی به مقدار معینی هوا نیاز دارد که این مقدار را هوای مورد نیاز تئوری می نامند ولی در عمل برای اینکه احتراق به صورت کامل رخ دهد هوای بیشتری نیاز است این مقدار بین ١٠-٤٠درصد متغیر است.
انواع شعله های اساسی:
انواع شعله را می توان با استفاده از روش اختلاط سوخت و اکسیدکننده و همچنین دبی آنها در مشعل تعیین نمود. از دیدگاه اختلاط دو حالت کلی وجود دارد به طوری که سوخت و اکسیدکننده قبل از رسیدن به نازل مشعل مخلوط شده و یا اینکه بعد از ترك نازل مخلوط شوند. از طرفی دبی سوخت و اکسیدکننده نیز در تعیین نوع شعله موثر است. دبی گاز ممکن است پایین باشد که در این صورت جریان گاز ورودی سوخت و اکسیدکننده آرام است و با بالا بودن دبی گاز، جریان آشفته می باشد. بنابراین با توجه به تعداد حالات مختلف بوجود آمده، شعله ها به چهار دسته تقسیم می شوند.
شعله‌ی پیش آمیخته آرام (Laminar Premixed Flames)
شعله ی غیر پیش آمیخته آرام (Laminar Non-Premixed Flames)
شعله‌ی پیش آمیخته مغشوش (Turbulent Premixed Flames)
شعله ی غیر پیش آمیخته مغشوش (Turbulent Non-Premixed Flames)
تعریف شعله:
شعله کوچکترین شکل آتش است. یا به عبارت دیگر بخش قابل دیدن و گازی آتش می‌باشد که با یک واکنش به شدت گرماده و در یک ناحیه ضخامتی کم ایجاد می‌شود.
شعله را می‌توان براساس نحوه رسیدن سوخت و ماده اکسیدکننده و ناحیه واکنش آنها به شعله غیرپیش‌آمیخته و شعله پیش‌آمیخته دسته‌بندی نمود. همچنین شعله باتوجه به ویژگی‌های جریان ورودی واکنش‌دهندهها به دو گروه شعله آرام و شعله آشفته دسته‌بندی می‌گردد که در ادامه به آن پرداخته می‌شود.
شعله پیش‌آمیخته(premixed flame):
اگر سوخت و اکسیدکننده قبل از احتراق و در خارج از محفظه به‌صورت یکنواخت با یکدیگر مخلوط شوند و سپس مشتعل گردند شعله پیش‌آمیخته حاصل می‌شود.
شعله انتشاری یا نفوذی(diffusion flame):
اگر واکنش دهندهها (سوخت و اکسیدکننده) از پیش با هم مخلوط نشده و در همان ناحیه که واکنش انجام می‌گیرد مخلوط شوند، را شعله انتشاری یا نفوذی گویند.
شعله پیش‌آمیخته جزیی(partially premixed flame):
رژیم‌های شعله پیش‌آمیخته و غیرپیش‌آمیخته که قبلا شرح داده شد، مطابقت با شرایط ایدهآل است. در کاربردهای عملی، سوخت و اکسیدکننده نمی‌توانند کاملاً مخلوط شوند. در شعله پیش‌آمیخته جزیی، سوخت و اکسیدکننده که مقدار آن از حالت استوکیومتری کمتر است، قبل از ورود به محفظه احتراق باهم مخلوط می‌شوند، جایی‌که در آن اکسیدکننده اضافی جهت انجام احتراق کامل فراهم است. به‌عنوان مثال، در موتورهای احتراق داخلی که با جرقه شمع خودرو مشتعل می‌شوند، تزریق سوخت به‌گونه‌ای تنظیم می‌شود تا یک مخلوط شبه استوکیومتری را در مجاورت شمع تولیدشده و باعث پیش‌بردن اشتعال گردد، هرچند که در بقیه سیلندر همچنان مخلوط رقیق وجود دارد. بنابراین هدف از ایجاد یک شعله پیش‌آمیخته جزیی اطمینان از اختلاط کامل آن قبل از اشتعال می‌باشد که در بعضی موارد، با هدف کاهش مصرف سوخت یا انتشار آلاینده تولید می‌شود.
شعله های پیش‌آمیخته(Premixed Flame):
در این نوع از شعله ها، سوخت و اکسیدکننده قبل از اینکه به ناحیه شعله برسند، در یک شرایط خاص با هم مخلوط می‌شوند. مخلوط با نزدیک شدن به جبهه شعله توسط مکانیزم های هدایت و تشعشع گرم می شود. واکنش قبل از رسیدن به جبهه شعله رخ می‌دهد. به تدریج مخلوط در ناحیه واکنش گرم شده و سپس واکنش شیمیایی به وقوع می‌پیوندد. شعله‌های پیش‌آمیخته، غیردرخشان اند. شعله های غیردرخشان آبی کمرنگ و یا بی_رنگ بوده و داغ تر از شعله های درخشان هستند. این نوع از شعله ها، کوتاه، آبی رنگ، پر سروصدا بوده و احتراق تقریبا کاملی دارند. اکثر شعله های پیش‌آمیخته‌ی مغشوش در سیستم های احتراق مهندسی مانند بویلرها و کوره ها و استفاده می شوند.
مشخصات شعله‌های پیش‌آمیخته:
یک شعله پیش آمیخته سوخت-هوا به وسیله‌ی سه پارامتر اصلی سرعت سوزش، دمای شعله و حد شعله‌وری معین می شود. این پارامترها با فشار، دما و نسبت مخلوط تعیین می شوند. مخلوط سوخت و هوای پیش آمیخته یک سرعت سوزش مشخصه‌ای دارد و این پارامتر موجب پایداری شعله در مشعل می باشد. گازها و بخارهایی که قابلیت سوختن با هوا و اکسیژن را دارند، فقط در نزدیکی محدودههایی از غلظت آنها قابلیت محترق شدن را دارند. حدشعله‌وری در هر دو طرف از مخلوط استوکیومتری قابلیت گسترش دارد. فرآیند جرقه به عنوان یک ذخیره ای از انرژی گرمایی عمل می‌کند. مقدار دقیق هر حد خاص (بالا یا پایین) بوسیله ی اتلاف حرارت و یا استفاده ی از آن در سیستم تعیین می شود. در خارج از این حدها، اتلاف حرارتی بیشتر از استفاده ی آن برای واکنش شیمیایی است. اگر حد شعله‌وری گسترده باشد، مخلوط خاص برای مشعل‌های پیش‌آمیخته خطرناك است و احتمال انفجار آن وجود دارد. اگر این حد محدودتر باشد ایمن تر می باشد اما با این حال به مراقبت نیاز خواهد داشت. سرعتی که شعله‌های پیش‌آمیخته از طریق مخلوط قابل اشتعال حرکت می کنند، تاثیر مهمی در طراحی مشعل و محفظه احتراق دارند. بالا بودن سرعت شعله منجر به خاموشی و یا برگشت شعله از طریق نازل به دستگاه مخلوط می‌شود و انفجار آن را در پی دارد.
دینامیک سیالات محاسباتی:
شبیه‌سازی عددی بوسیله تقسیم یا گسسته‌سازی هندسه موردنظر به سلول های محاسـباتی صورت می‌گیرد. گسسته‌سازی، روشی برای جایگزینی معادلات جبری بجای معـادلات دیفرانسـیلی در نقاط زمانی و مکانی است. به مکان های گسسته گرید یا مش گفته می‌شود. اطلاعـات پیوسـته حاصل از حل معادلات جزئی ناویر-استوکس توسـط مقـادیر گسسـته جـایگزین مـی‌شـوند. تعـداد سلول ها از چندصد برای مسائل ساده تا چندین میلیون برای مسائل بزرگ و پیچیده متغیـر اسـت. سلول ها شکل‌های مختلفی دارند. سلولهای سه‌ضلعی و چهارضلعی در مسـائل دوبعـدی بکـارمـی‌روند. برای مسائل سه بعدی، سلولهای شش‌وجهی، چهاروجهی، هرمی و منشوری بکارمی‌روند. درگذشته،کدهای دینامیک سیالات محاسباتی فقط شـبکه‌هـای باسـازمان شـامل یـک نـوع سلول، مانند مکعبی یا شش‌وجهی را شامل می‌شدند. کدهای جدید به سلولها اجازه می‌دهند کـه در مکانهای نامنظم و غیرساخت‌یافته قرارگیرند که موجب انعطاف پذیری بیشتر هندسه مـی‌شـود. همچنین یک کد خوب می‌تواند مجموعه‌ای از انواع مختلف سلول (مش هیبرید) را دربرگیرد. هندسه مسئله به منظور ایجاد مش وارد نرم افزار مربوطه می‌شود. برخـی نـرم افزارهـا هـردو مرحله تولید هندسه و مش‌بندی را در یک بسته نرم افزاری ارائه می‌دهند. بـا تهیـه مـش و شـرایط مرزی ماننـد فشـار، سـرعت، جریـان جـرم و خصوصـیات فیزیکـی، محاسـبات دینامیـک سـیالات محاسباتی آغاز می‌شود. کدهای دینامیک سیالات محاسباتی معادلات بقای مناسـب را بـرای تمـام سلول ها با روش تکرار حل می‌کند. شبیه‌سازی جریان های واکنشی معمولا شامل بقای جرم (توسـط معادله پیوستگی)، مومنتم (توسط معادلات ناویر-استوکس)، آنتالپی، انـرژی جنبشـی آشـفته، نـرخ اتلاف انرژی جنبشی آشفته، غلظت گونه‌های شیمیایی و نرخ واکنش محلی می‌شود. کدهای تجاری بسیاری برای شبیه‌سازی و آنالیز سیستم‌های جریان سیال، انتقال حـرارت و واکنش شیمیایی موجود است. که از مشهورترین آنها می‌توان به انسیس فلوئنت، انسیس سی اف ایکس و غیره اشاره کرد. تمام این نرم افزارها دارای سه قسمت پیش پردازنده، حل‌کننده و پس‌پردازنده هستند. در ایـن مطالعه از نرم افزار فلوئنت برای شبیه‌سازی جریان، اخـتلاط و واکـنش شـیمیایی در سیسـتم‌هـای احتراق استفاده می‌شود.
نرم افزار انسیس فلوئنت:
نرم افزار فلوئنت برای شبیه‌سازی جریان، انتقال حرارت و واکـنش در هندسـه‌هـای پیچیـده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این نرم افزار با استفاده از روش حجم محدود به حل معادلات بقای جرم، مومنتم و انرژی می‌پردازد. ایده اصلی روش حجم محدود برقراری فرم انتگرالـی معـادلات بقـا بـرای هرکدام از سلول ها است. میدان حل به تعداد محدودی از سلول های محاسباتی به‌نام حجـم‌کنتـرل تقسیم می‌شود. انسیس فلوئنت انواع مختلف مش ازجمله سه ضلعی و چهارضلعی در مسائل دوبعـدی و چهـار وجهی، شش وجهی، هرمی، گوه ای و هیبرید درمسائل سه‌بعدی را قبول می‌کند و از مـش‌هـای غیرسـاختاریافته برای کاهش زمان تولید مش، شبیه‌سازی هندسـه‌هـای پیچیـده و تعـدیل راحـت‌تـر شـبکه استفاده می‌کند. فلوئنت می‌تواند تمام انواع مش را تعدیل کند ولی در ابتدا بایـد توسـط نـرم افـزار دیگری مانند انسیس مشینگ، فلوئنت مشینگ یا ICEM CFD یا گمبیت مش اولیه را تولید کرد.
مراحل حل مسئله در انسیس فلوئنت:
هنگامی که حل یک مسئله مورد نظر باشد باید مراحل زیر رعایت شود :
1-تولید شکل (هندسه مسئاله)
2- شبکه‌بندی در نرم افزارهای تولید مش
٣- اجرای برنامه با توجه به هندسه (دو بعدی یا سه بعدی)
٤- انتقال شبکه به نرم افزار فلوئنت
٥- بررسی شبکه تولیدشده
٦- انتخاب شیوه محاسباتی و فرمولبندی حل.
٧- انتخاب معادلات اساسی که باید حل‌شوند مثل آرام یا متلاطم، واکنش‌ها یا گونه‌های شیمیایی، مدلهای انتقال حرارت و … و مشخص‌کردن مدلهای دیگر درصورت لزوم مثل : فن‌ها، مبدلهای حرارتی، محیط‌های متخلخل وغیره.
٨- تعیین خواصمواد
٩- تعیین شرایط مرزی
١٠-تنظیم‌کردن پارامترهای کنترل کننده حل، مقداردهی اولیه به میدان جریان، شروع کردن محاسبات بوسیله تکرار.
١١-بررسی نتایج محاسبه و ذخیره نتایج
١٢-بهینه‌سازی شبکه، روش حل و مدل فیزیکی(اگر نیاز باشد).
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی احتراق مخلوط پیش آمیخته پروپان-هوا(premixed flame) در محفظه احتراق با پرش شعله و جسم ضخیم مثلثی در نرم افزار انسیس فلوئنت(Ansys Fluent) انجام شده است.
هندسه مسئله:
هندسه مسئله در نرم افزار انسیس دیزاین مدلر(ANSYS Design Modeler) ترسیم شده است. در شکل زیر هندسه مورد مطالعه نشان داده شده است. هندسه مسئله از مقاله وو و همکاران[1] (2017) گرفته شده است.
[1] Wu, H., Ma, P. C., Lv, Y., & Ihme, M. (2017). MVP-Workshop Contribution: Modeling of Volvo bluff body flame experiment. In 55th AIAA Aerospace Sciences Meeting (p. 1573).
شبکه محاسباتی:
در گام دوم از روند شبیه سازی نیازمند شبکه بندی مناسب برای استفاده از روش حجم محدود می باشد. بنابراین یکی از مهم ترین و اساسی ترین قسمت در یک حل عددی با دقت قابل قبول با صرف کمترین هزینه و دقت مناسب و همچنین صرف زمان کم از موضوعات مهم در یک شبیه سازی موفق می باشد. در این پروژه از نرم افزار انسیس مشینگ(ANSYS Meshing) به منظور شبکه بندی هندسه استفاده شده است. تولید یک شبکه مناسب تاثیر بسیار زیادی در دقت نتایج به دست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد. دقت هر شبیه سازی به شدت وابسته به کیفیت شبکه است. در صورت بالابودن کیفیت شبکه، منجر به همگرایی سریع تر می شود. بررسی کیفیت شبکه قبل از محاسبات یک روش مناسب جهت رسیدن به نتایج مطلوب است. پارامتر Aspect ratio نسبت ضلع بزرگتر به ضلع کوچکتر را بیان می کند. پارامتر orthogonal quality در محیط مش کیفیت مش را نشان می دهد. این گزینه نشان دهنده زاویه گیری یک سلول به سلول مجاور است. هرچه میزان این عدد به 1 نزدیکتر باشد نشان دهنده کیفیت بیشتر مش است. معیار Skewness بین صفر تا یک قرار داشته که برای این که یک شبکه از کیفیت بالایی برخوردار باشد این پارامتر باید به عدد صفر نزدیک تر باشد.
حلگر:
حلگر مبتنی بر فشار و بصورت پایا در نظرگرفته شده است.
مدل لزجت:
مدل آشفتگی دو معادله ای k-w SST استفاده شده است.
مدل احتراق:
احتراق نتیجه یک فرآیند شیمیایی گرمازا میان یک ماده سوختنی و عامل اکسیدکننده است که با تولید گرما، تغییر شیمیایی مواد اولیه و آزاد شدن انرژی همراه می‌شود. درواقع احتراق در اثر ترکیب شیمیایی اجزای یک سوخت با اکسیژن ایجاد شده و همواره با حرارت همراه می‌باشد. برای شبیه‌سازی احتراق در نرم افزار انسیس فلوئنت روش ها و مدل های متعددی از قبیل انتقال نمونه‌های جرمی(species transport) و احتراق اتلاف ادی(eddy dissipation)، احتراق غیر پیش‌آمیخته(non-premixed combustion)، احتراق پیش‌آمیخته(premixed-combustion) و غیره ارائه شده است. در این پروژه از مدل احتراق پیش آمیخته زیمونت استفاده شده است. از مخلوط پیش آمیخته پروپان-هوا به عنوان واکنش دهنده ها استفاده شده است.
وابستگی سرعت-فشار:
به منظور ارتباط سرعت-فشار از الگوریتم حل کوپل(coupled) استفاده شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
