فهرست مطالب

سوخت و احتراق - سال سیزدهم شماره 3 (پیاپی 32، پاییز 1399)

نشریه سوخت و احتراق
سال سیزدهم شماره 3 (پیاپی 32، پاییز 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/09/17
  • تعداد عناوین: 7
|
  • اسماعیل ابراهیمی فردویی، کیومرث مظاهری* صفحات 1-26

    هدف از مطالعه حاضر بررسی تاثیر تزریق دی اکسیدکربن درون اکسیدکننده در احتراق بدون شعله بر روی ساختار شعله با استفاده از شبیه سازی عددی کوره بدون شعله است. استفاده از مقادیر مختلف تزریق دی اکسیدکربن منجربه تشکیل سه احتراق سوخت-هوا، اکسیژن-غنی و سوخت-اکسیژن می شود. شبیه سازی های عددی با استفاده از نرم افزار اپن فوم انجام شده است. از مدل کی-اپسیلون استاندارد، به منظور مدل سازی آشفتگی و از مدل فاز گسسته، به منظور مدل سازی تشعشعی، استفاده شده است. همچنین، به منظور اعتبارسنجی مدل احتراقی، از چهار مدل برمبنای مدل مفهوم اتلاف گردابه استفاده شده است. بررسی ها بر روی توزیع دما، تاخیر در اشتعال، رنگ شعله و تغییرات رادیکال هیدروکسیل برای بررسی ساختار شعله انجام شده است. نتایج نشان می دهند که با انتقال از احتراق سوخت-هوای بدون شعله به احتراق اکسیژن-غنی و سوخت-اکسیژن بدون شعله، که همراه با جایگزینی بخش یا تمام کسر جرمی نیتروژن با دی اکسیدکربن است، بیشینه دمای شعله، به علت ظرفیت حرارتی بالاتر دی اکسیدکربن و حضور فعال تر آن در واکنش های گرماگیر، کاهش می یابد. علاوه بر این، وجود دی اکسیدکربن در شرایط احتراقی اکسیژن-غنی و سوخت-اکسیژن سبب می شود تا فرایند اشتعال با تاخیر همراه شده و از غلظت رادیکال تحریک شده متیلایدین (CH*)، که عامل انتشار نور مریی است، به صورت قابل توجهی کاسته شود.

    کلیدواژگان: احتراق بدون شعله، تزریق دی اکسید کربن، احتراق اکسیژن غنی، احتراق سوخت- اکسیژن، ساختار شعله
  • پویان عباسپور، علیرضا علیپور*، یوسف تمثیلیان صفحات 27-43

    در مطالعه حاضر، مشخصه های احتراقی مخلوط پیش آمیخته هیدروژن-هوا در میکرولوله های همگرا-واگرا، با استفاده از شبیه سازی عددی فرایند احتراق، بررسی شده است. هدف این پژوهش بررسی تاثیر سرعت جریان ورودی و زاویه همگرایی-واگرایی بر مشخصه های احتراقی شامل بیشینه دمای شعله، موقعیت شعله، حدشعله وری بالا و ضخامت شعله در قطر در محدوده قطر خاموشی شعله است. معادلات حاکم به صورت سه بعدی و گذرا درنظر گرفته شده اند و از مکانیزم شیمیایی جزیی واکنش هیدروژن و هوا استفاده شد. نتایج نشان دادند که سرعت جریان ورودی بر موقعیت شعله درون میکرولوله تاثیر می گذارد و بیشینه دمای شعله متاثر از موقعیت قرارگیری شعله درون میکرولوله تغییر می کند. کمترین دمای شعله در یک نسبت هم ارزی مشخص زمانی ایجاد می شود که شعله در قسمت گلوگاه قرار گرفته باشد. مشخص شد که سرعت جریان ورودی و قسمت گلوگاه تاثیر مستقیمی بر ضخامت و کشیدگی شعله دارند. افزایش ضخامت و کشیدگی شعله در سرعت های زیاد، برای میکرولوله های با قطر گلوگاه کم، موجب بیرون زدن قسمتی از ناحیه احتراق از میکرولوله و درنهایت خارج شدن از حد شعله وری بالا می شود. از مقایسه نتایج با یک میکرولوله با مقطع ثابت و ابعاد مشابه مشخص شد که ایجاد ناحیه گلوگاه در میکرولوله ها موجب افزایش حد شعله وری بالا در آن ها می شود.

    کلیدواژگان: میکرولوله همگرا واگرا، حد شعله وری بالا، ضخامت شعله
  • جاماسب پیرکندی*، مصطفی محمودی صفحات 45-62

    در این مقاله، فرایند احتراق در یک موتور اسکرم جت نمونه (DLR) از دیدگاه عددی شبیه سازی و تحلیل شده است. برای انجام این مدل سازی ابتدا این موتور برای حالت غیراحتراقی شبیه سازی و اعتبارسنجی شده است. نتایج این بخش نشان می دهد که روش استفاده شده توانایی پیش بینی میدان های سرعت و فشار را با دقت مناسبی دارد. در ادامه مسئله با درنظرگرفتن فرایند احتراق و با درنظرگرفتن یک واکنش شیمیایی شبیه سازی شده است. نتایج حاصل از دو تحلیل انجام شده نشان می دهد که در حالت احتراقی ناحیه فروصوت تا فاصله 141 میلی متری از پشت مانع ادامه دارد، این در حالی است که برای حالت غیراحتراقی این فاصله تنها 22 میلی متر است. در حالت غیراحتراقی موج ها پس از برخورد با جت با اندکی انحراف از آن عبور می کنند، در حالی که در حالت احتراقی موج ها بعد از برخورد با جت بازتاب داده می شوند.

    کلیدواژگان: احتراق مافوق صوت، اسکرمجت، شبیه سازی عددی، جریان آشفته
  • نوید حشمتی، سید مهدی میرساجدی* صفحات 63-79
    در این مطالعه، به بررسی تاثیر نسبت انسداد چرخاننده کم چرخش بر حدود پایداری و رژیم های احتراقی شعله پرداخته می شود. نسبت انسداد برابر سطح مسدود و پوشیده صفحه مغشوش کننده  به کل مساحت آن است و یکی از پارامترهای اصلی چرخاننده کم چرخش است که تاثیر مهمی بر پایداری شعله کم چرخش دارد. به منظور بررسی تاثیر نسبت انسداد کانال مرکزی چرخاننده بر پایداری، 9 چرخاننده با هندسه متمایز مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که با افزایش نسبت انسداد، حد خاموشی چرخاننده ها کاهش می یابد، به طوری که با افزایش نسبت انسداد از 43% تا 76%، میزان حد خاموشی تا حدود 25% کاهش یافته و پایداری شعله بهبود می یابد. همچنین، در این مطالعه مشاهده شد که با افزایش نسبت هم ارزی، شعله یک فرایند گذار را طی می کند که در آن شعله از یک حالت Vشکل (کاسه ای شکل) معلق پایدار تا حالت گردابه ای شکل متصل به دهانه مشعل پیش می رود. فرایند گذار را می توان به سه رژیم احتراقی متفاوت تقسیم کرد که حدود این رژیم های احتراقی براساس نسبت هم ارزی و میزان عدد رینولدز ورودی مشعل تعیین می شود. بررسی میزان آلاینده  چرخاننده ها نشان داد که میزان  با افزایش نسبت هم ارزی افزایش می یابد و در نسبت های  هم ارزی نزدیک 1 میزان  در حدود ppm20 است.
    کلیدواژگان: احتراق کم چرخش، پایداری شعله، نسبت انسداد، گاز طبیعی
  • مهنا مرادی، حجت قاسمی* صفحات 81-99
    در این مقاله، تبخیر گذرای قطره دوجزیی در دما و فشار زیاد به صورت عددی مدل سازی شده است. در فاز گاز، معادلات بقای جزء، تکانه و انرژی و در فاز مایع، معادلات بقای جزء و انرژی، با رویکرد حجم محدود حل شده اند.  تغییرات خواص ترموفیزیکی برحسب دما و فشار درنظر گرفته شده است. همچنین فرض تعادل فوگاسیتی در سطح مشترک و معادله حالت پنگ-رابینسون لحاظ شده است.  قطره کروی فرض شده و از انحلال پذیری گاز در مایع و اثرات شتاب گرانش صرف نظر شده است. نتایج مدل برای قطره دوجزیی هپتان-هگزادکان درگستره های دمایی و فشاری گسترده اعتبارسنجی شدند و مطابقت خوبی با داده های تجربی موجود در ادبیات نشان دادند. اثر تغییرات فشار در دماهای مختلف بر تبخیر قطره بررسی شد. مشاهده شد که در یک دمای ثابت با افزایش فشار تا 2 مگاپاسکال، عمر قطره افزایش یافته ولی افزایش فشار به 5/2 مگاپاسکال منجربه کاهش عمر قطره می شود. رفتار تبخیری قطره با ترکیبات مختلف تغییری نداشت. نقش معادلات حالت مختلف بر پیش بینی عمر قطره مطالعه شده و درنهایت تاثیر فشار و دمای محیط بر فوق بحرانی شدن دمای سطح قطره بررسی و مشاهده شد که در فشار و دمای به اندازه کافی زیاد قطره می تواند به حالت بحرانی برسد.
    کلیدواژگان: تبخیر قطره، دوجزئی، فشار زیاد، فوگاسیتی، پنگ-رابینسون
  • سعید کاظمی سرشت*، آرش محمدی صفحات 101-119
    همگن سازی یک مخلوط رقیق از سوخت و هوا باعث می شود دمای جبهه شعله کاهش پیدا کرده و به طورهم زمان باعث کاهش تولید اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق می شود. کارهای تجربی نشان داده است که سطح بالایی از پراکندگی برای رسیدن به مخلوط همگن را می توان با برخورد جت دیزل بر روی یک سری از موانع استوانه ای، به عنوان ساختار نزدیک به محیط متخلخل، به دست آورد. سوخت تزریق شده با اولین مانع استوانه ای برخورد می کند و به دو جت کوچک تر تقسیم می شود. سپس، با برخورد با موانع بعدی جت چندتایی به وجود آمده که باعث پخش سوخت می شود. کارهای تجربی قبلی نشان داده اند که ساختار هندسی و قطر موانع از عوامل اصلی در شکل گیری چند جت و توزیع فضایی سوخته اند. در این مقاله، مدل های دینامیک سیالات محاسباتی، که با دقت رفتار شکل گیری چند جت گذرا را پیش بینی می کنند، توسعه می یابد و پس از اعتبارسنجی ساختارهای جدیدی از موانع با افزایش فاصله بین آن ها و یک ساختار بهبودیافته ارایه شده است. مدل سازی جدید نشان می دهد که این ساختارها، نسبت به ساختارهایی که قبلا مورد بررسی قرار گرفته اند، دارای ویژگی های همگن سازی بهتر بوده و توزیع فضای در آن ها کارآمدتر است.
    کلیدواژگان: پاشش دیزل، تشکیل مخلوط، استوانه های کوچک
  • صمد جعفرمدار*، پوریا مجیدی صفحات 121-135
    در موتورهای پیستونی با افزایش دور موتور مدت زمان سیکل احتراق کاهش می یابد. با کاهش زمان سیکل احتراق موتور فرصت برای احتراق کامل سوخت کم می شود. درنتیجه، به منظور تکمیل احتراق سوخت در دورهای بالای موتور، شمع باید زودتر جرقه بزند. حال، با توجه به اینکه سرعت شعله گاز طبیعی نسبت به بنزین کمتر است، این مشکل محسوس تر می شود. در نتیجه مقدار پیش انداختن زمان جرقه شمع موتور، در حالت گاز سوز، نسبت به حالتی که بنزین  می سوزاند، باید بیشتر افزایش یابد. این کار منجربه افزایش کار منفی در مرحله تراکم می شود که سبب کاهش بازدهی چرخه می شود. محققان برای بهبود احتراق گاز طبیعی پیشنهاد اضافه کردن هیدروژن را داده اند(HCNG) . با اضافه کردن هیدروژن خواص شعله وری گاز طبیعی بهبود می یابد. در این پژوهش، با استفاده از هیدروراکتور، گاز هیدروژن و اکسیژن (HHO) به روش الکترولیز از آب تولید و مصرف می شود. گاز HHO تولیدشده به همراه گاز  CNGبا هوای ورودی به موتور ترکیب می شود. سپس، تاثیر گاز  HHO-CNGبر پارامترهای بازدهی، توان و آلودگی بررسی شده است. نتایج به دست آمده نشان می دهد که با اضافه شدن HHO بازده حرارتی افزایش می یابد. در این شرایط، میزان CO و UHC کاهش داشته است. این کاهش آلودگی و افزایش بازده به علت کاهش نیاز به آوانس جرقه شمع و احتراق کامل سوخت است.
    کلیدواژگان: HHO، CNG، موتور، احتراق، آلودگی
|
  • Esmaeil Ebrahimi Fordoei, Kiumars Mazaheri * Pages 1-26

    The aim of the present study is to investigate the effect of carbon dioxide injection on the flame structure using numerical simulation of flameless furnace. Using different amounts of carbon dioxide injection leads to the formation of three air-fuel, oxygen enrich and oxy-fuel combustion modes. Numerical simulations are performed using OpenFoam software. The standard k-εmodel for turbulence modeling and the discrete ordinate model for radiation modeling are used, respectively. Four combustion models based on the eddy dissipation concept model have also been used to validation of combustion model. Studies are performed on temperature distribution, ignition delay, flame color, and hydroxyl radical in order to the investigation of flame structure. The results show that by switching from air-fuel flameless combustion to oxygen enrich and oxy-fuel flameless combustions coupled with the replacement of part or all of the mass fraction of nitrogen with carbon dioxide, the maximum flame temperature is reduced due to higher carbon dioxide heat capacity and active presence in the chemical reactions. Moreover, the presence of carbon dioxide in oxygen enrich and oxy-fuel combustion conditions results in a delayed in ignition process and significantly reduces the concentration of methylene radical, which is the driving factor of visible light.

    Keywords: Flameless Combustion, Carbon Dioxide Injection, Oxygen Enrich Combustion, Oxy- Fuel Combustion, Flame Structure
  • Pouyan Abbaspour, Alireza Alipoor *, Yousef Tamsilian Pages 27-43

    In the present study, combustion characteristics of premixed hydrogen-air mixture in converging - diverging microtubes were investigated using numerical simulation of combustion process. The purpose is investigation of the effect of inlet velocity and converging-diverging angle on the combustion characteristics consist of maximum flame temperature, flame position, upper flammability limit and flame thickness. Governing equations were considered as three dimensional and transient with detailed chemistry mechanisms. Results showed that inlet velocity affect flame position in the microtube and maximum flame temperature related on the flame position will change. Minimum flame temperature in a specific equivalence ratio were occurred when the flame placed in the converging-diverging section. Inlet velocity and throat section have a direct effect on the flame thickness. Increasing the flame thickness at high inlet velocities for microtubes with low throat diameter causes to blow out a part of the flame. Compared to a microtube with the same dimensions, it was found that making a throat zone in the microtubes causes to increase the upper flammability limit.

    Keywords: Converging Diverging Micro tube, Upper Flammability Limit, Flame Thickness
  • Jamasb Pirkandi *, Mostafa Mahmoodi Pages 45-62

    In this paper, the combustion process in a prototype scramjet (DLR) is numerically simulated and studied. To that end, the scramjet is initially simulated and validated in the non-reacting condition. The results show that the method used has the ability to predict the fields of velocity and pressure with appropriate accuracy. Then, the same scramjet is simulated and validated for the reacting case by considering one-reaction model. The results of these two simulations illustrates that the maximum distance of subsonic area from the strut is 141 mm in the reacting case while this distance is only 22 mm in the non-reacting case. the waves pass through the jet region with a slight deviation in the non-reacting case while they are reflected after hitting the jet region in the reacting case.the waves pass through the jet region with a slight deviation in the non-reacting case while they are reflected after hitting the jet region in the reacting case.

    Keywords: Supersonic combustion, Scramjet, numerical simulation, Turbulent Flow
  • Navid Heshmati, Seyyed Mehdi Mirsajedi * Pages 63-79
    In this study, the effect of a low swirl injector blockage ratio on the flame stability limits is investigated by using a low swirl burner. The blockage ratio is one of the main geometrical parameters of the low-swirl injector which has a significant impact on the stability of the flame. In order to investigate the influence of the blockage ratio of the central channel of low swirl injector on stability, nine swirler with distinct geometries were investigated. The results showed that with increasing the blockage ratio, the flame extinction limit was reduced so that increasing the blockage ratio from 43% to 76% reduced the extinction limit to about 25% and improved flame stability. It was also observed in this study that by increasing the equivalence ratio, the flame undergoes a transition process in which the flame proceeds from a stable lifted bowl shape to a vortex shape attached to the burner nozzle. The transition process can be divided into three different combustion regimes and in this study, these limits presented based on the equivalence ratio and the Reynolds number of the burner inlet. Evaluation of NOx pollutants of swirlers showed that Nox increased with increasing equivalence ratio and at equivalence ratios near stoichiometric values, the Nox level was about 20 ppm.
    Keywords: Low swirl combustion, flame stability, blockage ratio, Natural gas
  • Hojat Ghasseim * Pages 81-99
    Transient evaporation of a bi-component droplet at high temperature and pressure condition has been modeled numerically. In the gas phase, the equations of species, momentum, and energy, and in the liquid phase, the equations of species and energy by assuming fugacity equilibrium, and Peng-Robinson equation of state using the finite volume method have been solved. The droplet is assumed to be spherical, the solubility of the gas in the liquid and effect of gravity have been neglected. The results of the proposed model for heptane-hexadecane droplet in various temperatures and pressures have been validated against the available experimental data. Results were in good agreement. The effect of pressure on the evaporation showed that at a constant temperature, by increasing pressure up to 2 MPa the droplet lifetime increases but further increase in pressure (up to 2.5 MPa) reduces droplet lifetime. Evaporation behavior does not change with different compositions. The role of different equations of state on the prediction of binary droplet lifetime was studied, and finally the effect of ambient temperature and pressure on the surface temperature of the droplet was investigated. It was observed that at high enough pressure and temperature, the droplet surface could reach the critical condition.
    Keywords: droplet evaporation, bi-component, high ambient pressure, fugacity, Peng-Robinson
  • Saeed Kazemi Seresht *, Arash Mohammdi Pages 101-119
    Homogenization of lean air-fuel mixture decrease flame front temperature and simultaneously reduces NOx and particulate matter. Experimental work has been shown high level of dispersion can be obtained by impingement of diesel jet onto a matrix of cylindrical obstacles in accordance structure close to Porous media. The injected fuel impinges with the first cylindrical obstacle and splits to two smaller jets and with impingement with other obstacles causes to multi-jets formation causes to fuel dispersion. Previous experimental works have been shown geometrical structure and obstacle diameter are of key factors in multi‐jet formation and spatial distribution of the charge. In this paper, computational fluid dynamics models that accurately predict the formation behavior of several transient multi-jet are developed, and after validation, new structures of obstacles with increasing distances between them and an improved structure are proposed as novel innovations. New modeling shows that these structures have better homogenization properties and space distribution is more efficient than the structures previously studied. Also, with increasing the distance between the cylindrical obstacles, the diffusion and penetration of some fuel jets has increased and for all geometrical structures, it has increased the fuel distribution angle. The geometrical structure of the obstacles is very important to achieve the proper fuel distribution pattern and is not dependent on the number of obstacles.
    Keywords: Diesel spray, Mixture formation, small cylindricals
  • Samad Jafarmadar *, Poria Majidi Pages 121-135
    In piston engines, as the engine speed increases, the combustion cycle time decreases. Reducing the engine combustion cycle time, the opportunity for complete fuel combustion is reduced. As a result, in order to complete the fuel combustion, at high engine speeds, the spark plug must ignite sooner. Now that the natural gas flame is slower than gasoline, this problem is becoming more noticeable. As a result, the spark ignition timing should be increased further in CNG fuel mode than in the case of gasoline combustion. This leads to an increase in negative work during the compression phase, resulting in reduced cycle efficiency. Researchers have suggested adding hydrogen to improve natural gas combustion (HCNG). By adding hydrogen, the flammability properties of natural gas are improved. In this study, using Hydrogen generator, hydrogen and oxygen (HHO) gas is produced and consumed water by electrolysis method. The gas (HHO) produced together with the gas (CNG) is combined with the air entering the engine. Then the effect of gas (HHO-CNG) on the parameters of efficiency, power and pollution has been investigated. The results show that the thermal efficiency increases with the addition of HHO. Under these conditions, CO and UHC levels have decreased. This reduces contamination and increases efficiency due to reduced need for spark plug advance and complete fuel combustion.
    Keywords: CNG, HHO, compression, Engine, Contamination