جلسه دفاع پایان نامه کارشناسی ارشد (آقای سجاد منصوری)
موضوع: بررسی عددی ناپایداری‌های ترموآکوستیک خودتحریک احتراق در مخلوط‌های متان و هیدروژن با استفاده از
LES-FGM
ارائه دهنده: سجاد منصوری
استادان راهنما: دکتر احمدرضا پیشه‌ور، دکتر محسن دوازده امامی
استادان داور: دکتر محسن ثقفیان، دکتر حسین بلاغی اینالو
چکیده:
اپایداری‌های ترموآکوستیک خودتحریک احتراق، همچنان به عنوان یکی از چالش‌برانگیزترین مسائل در طراحی و بهره‌برداری سامانه‌های احتراقی رقیق و دارای آلایندگی پایین به شمار می‌رود. جفت‌شدگی غیرخطی نوسان‌های فشار و نرخ آزادسازی گرما، انعطاف‌پذیری عملیاتی و شرایط بهره‌برداری تجهیز را به شدت محدود نموده و انواع آسیب‌ها و خستگی‌های سازه‌ای را به محفظه احتراق تحمیل می‌کند. علیرغم پژوهش‌های گسترده پیشین در زمینه پاسخ اجباری شعله‌های پیش‌آمیخته، مکانیزم‌های حاکم بر آغاز، رشد و تبدیل به یک نوسان میرا شده، تشدید شده و یا چرخه-محدود در پاسخ خودتحریک شعله نیمه‌پیش‌آمیخته بسیار رقیق همچنان به طور کامل شناخته نشده است. این پژوهش، یک مطالعه عددی جامع و پرجزئیات از ناپایداری‌های ترموآکوستیک خودتحریک احتراق در شعله‌های نیمه‌پیش‌آمیخته پایدارشده با چرخش انجام شده با شبیه‌سازی گردابه بزرگ واکنشی (LES) و مدل‌سازی احتراقی پیشرفته منیفولد به دست آمده از فلیملت (FGM) مبتنی بر مکانیزم‌های شیمیایی GRI 3.0 و UCSD 2016 ارائه می‌دهد و جفت‌شدگی دقیق میان ساختارهای منسجم آشفتگی، دینامیک شعله و بازخوردهای آکوستیکی را در شرایط عملیاتی رقیق و بسیار رقیق مورد مطالعه قرار می‌دهد. مطالعه عددی انجام شده بر پایه یک شبکه عددی بسیار دقیق و دارای 70 میلیون سلول محاسباتی، پایگاه داده تابع چگالی احتمال مشترک با تفکیک بسیار بالای شرایط مختلف واکنشی دارای توزیع‌های از پیش فرض‌شده بتا و گاوسی، شرایط مرزی غیربازتاب کننده و انتقال حرارت مزدوج از مرز دیواره‌ها با ناحیه تخلیه آکوستیک استوار است. در این پژوهش، اهداف کلی تبیین مکانیزم‌های ناپایداری، بررسی اثر اضافه نمودن هیدروژن بر توپولوژی شعله، آشکارسازی مود نوسانی و مطالعه تکامل فازی چرخه-محدود ناپایداری دنبال گردید. در ابتدا، شعله‌های متان در نسبت‌های هم‌ارزی 0/7 و 0/55 با عدد رینولدز ورودی به محفظه احتراق ثابت 10,000 مطالعه شد و نتایج عددی به دست آمده، تطابق بسیار خوبی با نتایج آزمایشگاهی گزارش شده داشتند؛ به طوری که شبیه‌سازی گردابه بزرگ واکنشی، دامنه و فرکانس نوسان‌های جفت‌شده فشار و نرخ آزادسازی گرما با دقت بسیار بالایی محاسبه نمود. اعتبارسنجی جامع صورت گرفته به وسیله مقایسه محتوای فرکانسی نوسان‌های عددی و نوسان‌های تجربی گزارش شده از سری‌های زمانی فشار و نورافشانی شیمیایی رادیکال هیدروکسیل OH* انجام شده است و بالاترین میزان خطای 10% و 28% به ترتیب در پیش‌بینی فرکانس (117 هرتز عددی در مقایسه 131 هرتز تجربی) و دامنه نوسان (4/7 پاسکال عددی در مقایسه 6/6 پاسکال تجربی) مشاهده شد. نتایج مربوط به احتراق متان خالص حاکی از تغییر مود ناپایداری از یک نوسان فرکانس‌بالای کم‌دامنه (حدود ۱۱۷ هرتز / 4/7 پاسکال در LES–FGM و ۱۳۱ هرتز / 6/6 پاسکال در آزمایش) به یک نوسان فرکانس‌پایین دامنه‌بالا (حدود ۸۷ هرتز / ۵۱ پاسکال در LES–FGM و ۹۱ هرتز / ۶1 پاسکال در آزمایش) بود. بررسی تکامل فازی میدان‌های این دو فرایند احتراقی نشان می‌دهد که نوسان‌های موضعی نسبت هم‌ارزی، برهم‌کنش گردابه و شعله در ناحیه اختلاط، تغییر در فعالیت هسته گردابه تقدیمی و هسته گردابه مارپیچی به عنوان محرک‌های اصلی رشد ناپایداری عمل می‌نمایند. در قسمت دوم پژوهش، تحلیل عددی بر مخلوط‌های متان و هیدروژن در درصدهای مولی 10% و 25% متمرکز شده و تأثیر اضافه نمودن هیدروژن به عنوان یکی از اصلی‌ترین راهکارهای دستیبابی به احتراق سبز و مدیریت ناپایداری‌های ترموآکوستیکی از طریق افزایش واکنش پذیری، تسریع پیشروی شعله و گشترش محوده اشتعال پذیری مورد مطالعه قرار می‌گیرد. نتایج عددی نشان می‌دهند که اضافه نمودن هیدروژن به طور چشم‌گیری توپولوژی شعله و مکانیزم لنگراندازی آن را تغییر می‌دهد؛ به گونه‌ای که شعله‌ای فشرده‌تر، دارای چین‌خوردگی بیشتر و ناحیه واکنشی نازک‌تر مشاهده می‌شود. این تغییر در توپولوژی شعله، حلقه بازخورد ترموآکوستیکی را تغییر داده و منجر به کاهش دامنه نوسان‌های فشاری تا یک مرتبه بزرگی می‌شود. مقایسه دقیق میان شعله‌های مختلف نشان می‌دهد که اضافه نمودن هیدروژن در مقادیر کنترل شده و توسط تا 25% می‌تواند پایداری شعله را از طریق قابلیت اشتعال مجدد سریع و کاهش زمان بازیابی بهبود بخشد. همچنین در پژوهش حاضر، بررسی دقیق برهم‌کنش گردابه‌های بزرگ مقیاس مانند هسته گردابه تقدیمی و گردابه‌های متوسط‌مقیاس مانند هسته گردابه مارپیچی و سطح شعله در کنار تولید میدان‌های تکامل فازی ضاخص رایلی انجام شد و رفتار ناپایداری کلی از طریق پایش نواحی مستعد ناپایداری دارای شاخص رایلی مثبت مورد بحث قرار گرفت. دیده شد که در اعداد رینولدز پایین و نست‌های هم‌ارزی رقیق و بسیار رقیق، وقوع ناپایداری از فعالیت ضعیف هسته گردابه تقدیمی و ریزش گردابه در لایه‌های برشی داخلی و خارجی رخ می‌دهد. نکته حائز اهمیت، احتمال بروز نوسان‌های فشار دامنه‌پایین و دارای فرکانس بالا در اثر تحریک مودها و هارمونیک‌های بالاتر محفظه احتراق است. از این رو، نیاز است تا برای هر شرایط خاص احتراقی ، بازه‌ای بهینه از درصد غنی‌سازی هیدروژن محاسبه گردد تا میان پیداری ترموآکوستیک و پاسخ آکوستیک قابل کنترل، موازنه‌ای ایجاد گردد.