توضیحات
پروژه شبیه سازی احتراق غیرپیش آمیخته زغال-هوا با مشعل چرخشی و انتشار آلاینده اکسیدهای نیتروژن(NOx) در کوره زغالسنگ در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(Ansys CFX)
Simulation of Non-Premixed Coal-Air Combustion with Swirl Burner and NOx Emission in ANSYS CFX 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.
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 انواع مختلف دسته‌بندی نمود.
دسته بندی شعله ها:
احتراق به شکل های گوناگونی صورت می پذیرد. بطور خاص شعله حاصل از احتراق یک سوخت گازی به سه نوع تقسیم می شود:
1-مدل احتراق غیر پیش آمیخته: در این مدل بجای حل معادله انتقال اجزاء، معادله انتقال برای کسر مخلوط حل می گردد. این مدل برای احتراق غیر پیش آمیخته متلاطم، مناسب است و تأثیر تلاطم به کمک تابع احتمال دانسیته(PDF) در نظر گرفته می شود پایه روش کسر مخلوط این است که معادلات بقاء منفرد برای سوخت و اکسیدکننده می توانند جهت حذف ترم های سرعت واکنش باهم ترکیب شوند. در این مدل مکانیزم های واکنش مورد نیاز نیست.
2-مدل احتراق پیش آمیخته: این مدل برای مدلسازی احتراق پیش آمیخته متلاطم که در آن سوخت و اکسید کننده قبل از احتراق باهم مخلوط می شوند مناسب است. این مدل، با تعریف متغیر پیشرفت واکنش معادله انتقال را برای آن حل می کند.
3-مدل احتراق نیمه پیش آمیخته: جهت مدلسازی جریان های واکنش پذیر متلاطم که ترکیبی از احتراق پیش آمیخته و غیر پیش آمیخته است، بکار می رود این مدل، معادله انتقال را برای متغیر پیشرفت واکنش(progress value) کسر مخلوط و تغییرات آن حل می کند.
جریان واکنشی غیر پیش آمیخته:
در جریان واکنشی غیر پیش آمیخته سوخت واکسیدکننده در داخل محفظه احتراق و در موقع واکنش با یکدیگر روبرو می شوند. شعله های غیر پیش آمیخته به دلیل ماهیت و ایمنی بالا یکی از پرکاربردترین روشهای آزادسازی انرژی می باشند. در کاربردهـای عملـی، شعله‌های غیر پیش‌آمیخته بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرنـد. ایـن شـعله‌هـا در موتورهـای جـت، موتورهای دیزل، دیگ‌های بخار، کوره ها و موتورهای موشک هیدروژن-اکسیژن دیده مـی‌شـود. بـه جز احتراق پیش‌آمیخته مغشوش که در بسیاری از موتورهای اشتعال جرقه‌ای (چرخـه اتـو) وجـود دارد، بیشتر احتراق ها غیر پیش‌آمیخته و مغشوش می‌باشند.
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 ANSYS CFX:
نرم افزار ANSYS CFX یکی از نرم افزارهای سرآمد در زمینه تحلیل CFD می باشد و باتوجه به محیط کاربرپسند و ارتباط راحت آن با نرم افزارهای مدلسازی، طرفداران زیادی در محافل دانشگاهی و صنعتی پیداکرده است. با این وجود، نرم افزارهای ارائه شده در این زمینه باتوجه به گستردگی علم سیالات از محدودیت های زیادی برخوردار می باشند. برای انجام مدلسازی و مش زدن Ansys CFX می توان از نرم افزار Ansys Workbench استفاده کرد. لینک های قوی Ansys Workbench و قدرت مش زدن این نرم افزار منحصر به فرد بوده و دیگر نرم افزارهای CFD دارای چنین قابلیت هایی نمی باشند.
شرح پروژه:
در این پروژه شبیه سازی احتراق زغال-هوا با مشعل چرخشی و انتشار آلاینده های اکسیدهای نیتروژن در کوره زغالسنگ در نرم افزار انسیس سی اف ایکس(Ansys CFX) انجام شده است.
نمونه نتایج شبیه سازی:
