جلسه دفاع رساله دکتری مهندسی مکانیک- تبدیل انرژی (آقای ابراهیم سلیمی)

چکيده

ناپایداری ترموآکوستیک، به ناپایداری احتراق حاصل از اندرکنش امواج صوتی و شعله اطلاق می شود، که می­تواند منجر به خاموشی شعله در مشعل­ها و محفظه­ی احتراق و تخریب تجهیزات شود. بررسی فیزیک حاکم بر این مسئله و عوامل موثر در کنترل ناپایداری شعله، حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر، اندرکنش شعله و امواج آکوستیک هم برای شعله­ی آرام و هم برای شعله­ی آشفته مورد بررسی قرار گرفته است.  ابتدا شعله­ی پیش آمیخته­ی آرام متان-هوا به­صورت یک بعدی و امواج صوتی با فرکانس 50 الی 50000 هرتز در نظر گرفته شده است. معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی، انتقال گونه­های شیمیایی، معادله­ی حالت در فضای یک بعدی حل شده است. مکانیزم­های مختلف GRI و کاهش یافته­ی آن برای به­دست آوردن شعله­ی پایای بدون امواج صوتی و شعله­ی ناپایا با اندرکنش امواج صوتی در نظر گرفته شده است. نرخ گرمای آزاد شده­ی کل برای شعله برحسب فرکانس امواج صوتی تغییر می­کند، به­صورتی که ابتدا روندی افزایشی و سپس کاهشی دارد. نتایج به­دست آمده برای نرخ گرمای آزاد شده­ی کل، با نتایج محققان دیگر مطابقت خوبی دارد. نرخ گرمای آزاد شده­ی کل، متاثر از نرخ گرمای آزاد شده­ی گونه­های مختلف شیمیایی است. بنابراین در پژوهش حاضر، اثر هر کدام از گونه­های شیمیایی بر نرخ گرمای آزاد شده­ی کل مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به معیار ناپایداری رایلی و نتایج پژوهش حاضر، گونه­های شیمیایی H2O، CO2 و O2 بیشترین سهم در نرخ گرمای آزاد شده­ی کل را داشته و موجب ناپایداری شعله می­شوند. از میان سه گونه شیمیایی ذکر شده، گونه H2O بیشترین تاثیر را در نرخ گرمای آزاد شده­ی کل دارد و مکانیزم شیمیایی مناسب برای مسئله­ی اندرکنش شعله و امواج صوتی، مکانیزمی است که توانایی بهتری در تخمین صحیح نرخ واکنش و غلظت H2O داشته باشد. مسئله­ی اندرکنش امواج صوتی با شعله­ی آشفته نیز در پژوهش حاضر بررسی شده است. معادلات ناویر استوکس به همراه معادلات مدل ­پیش­آمیخته­ی جزئی با شبیه­سازی گردابه­ی بزرگ انجام شده است. نتایج نشان می­دهد با افزایش دامنه­ی امواج صوتی تا حدود 65 درصد، دامنه­ی نرخ گرمای آزاد شده در فرکانس 40 و 160 هرتز حدود 70 درصد افزایش می­یابد. تغییر دامنه­ی نرخ گرمای آزاد شده با دامنه­ی امواج صوتی در فرکانس امواج صوتی 40 هرتز، رفتار خطی و در فرکانس 160 هرتز ابتدا رفتار خطی و سپس رفتار غیرخطی دارد. تا هنگامی که گردابه­ی بزرگی در لایه­ی برشی تشکیل نشود، رفتار نرخ گرمای آزاد شده با دامنه­ی امواج صوتی، خطی است، ولی با تشکیل گردابه­های­ بزرگ در فرکانس 160 هرتز، رفتار غیر خطی می­شود. در اثر اندرکنش شعله و امواج صوتی با دامنه­ی بالا و فرکانس هم مرتبه با فرکانس گردابه­های لایه­ی برشی، شعله­ی قارچی شکل شده و باعث غیر خطی شدن رفتار دامنه­ی نرخ گرمای آزاد شده می­شود. در ناحیه­ی غیرخطی، اثر خواص سیال و مقیاس زمانی مسئله، حائز اهمیت است. متغیر بودن خواص سیال شامل لزجت و رسانندگی گرمایی با دما در ناحیه­ی خطی، تاثیر اندک و در ناحیه­ی غیرخطی تاثیر قابل توجه در نتایج دارد. همچنین مقیاس زمانی احتراقی از مرتبه 10-5 ثانیه، کوچکترین مقیاس زمانی مسئله بوده و برای حصول نتایج با دقت بالا، نیاز است گام زمانی حداقل یک مرتبه کوچکتر از مقیاس زمانی احتراقی انتخاب شود.

کلمات کليدی: اندرکنش شعله و امواج صوتی، شبیه­سازی عددی، ناپایداری ترموآکوستیک، معیار ناپایداری رایلی، شبیه­سازی گردابه­ی بزرگ.