بررسی عددی تاثیر میدان مغناطیسی بر رفتار شعله غیر پیش آمیخته متان

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 مهندسی مکانیک دانشکده فنی مهندسی دانشگاه تربیت مدرس

2 دانشگاه تربیت مدرس

چکیده

در این مقاله به بررسی عددی تأثیر میدان مغناطیسی با گرادیان‌های کاهشی و افزایشی بر رفتار شعله غیر پیش‌آمیخته آرام متان پرداخته شده است. به‌منظور بررسی تأثیر میدان مغناطیسی، از مدل احتراقی آرنیوسی و همچنین سینتیک یک‌ مرحله‌ای متان-هوا برای شبیه‌سازی استفاده شده است. نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی با نتایج تجربی مطابقت خوبی داشته و دمای شعله ارزیابی شده است. نتایج بدست آمده نشان دهنده تغییر شکل شعله و افزایش دمای آن تحت تاثیر گرادیان میدان مغناطیسی است. با قرارگیری شعله در میدان مغناطیسی، در دو حالت گرادیان کاهشی و افزایشی، دمای شعله، افزایش و ارتفاع شعله کاهش می‌بابد. با اعمال میدان مغناطیسی گرادیان کاهشی، دمای بیشینه در بالای مشعل از ارتفاع 4.5 میلی متر و در حالت بدون میدان به ارتفاع 2.5 میلیمتر می‌رسد، در حالی که تحت تأثیر میدان مغناطیسی گرادیان افزایشی این مقدار 4 میلی متر است که نشان‌دهنده کاهش ارتفاع شعله نیز است. تغییرات رفتار شعله در حالت میدان با گرادیان کاهشی مشهودتر است. میدان مغناطیسی در کاهش کسر جرمی متان نسوخته و محصولات احتراق در طی فرآیند احتراق موثر است. در حالت گرادیان کاهشی و افزایشی، متان نسوخته نسبت به حالت بدون میدان به ترتیب 99 و 52 درصد کاهش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Magnetic Field Effect on the Non-Premixed Methane Flame Behavior

نویسندگان [English]

  • kiarash kameli 1
  • Hadi Pasdarshahri 2
1 mechanical engineering Tarbiat Modares University
2 Faculty of Mechanical Engineering/ Tarbiat Modares University
چکیده [English]

In this paper, the effect of the magnetic field with decreasing and increasing gradients on the non-premixed methane flame has been investigated. To examine the impact of the magnetic field, Arrhenius combustion model and the one-stage methane-air mechanism have been used for simulation. The simulated results of the flame temperature are in a good agreement with experimental measurements. Results show the flame deformation and its temperature increase is affected by the magnetic field gradient. By applying the flame in the magnetic field with decreasing and increasing gradients, the flame temperature increases, and the flame height decrease. By using a decreasing gradient magnetic field, the maximum temperature at the top of the burner reaches a height of 4.5 mm and in the absence of field, position at the height of 2.5 mm. While under the influence of increasing gradient magnetic field, this value is 4 mm, indicating a decrease in the height of the flame. These changes are more evident in the area with a decreasing gradient. The magnetic field effects on methane and combustion products mass fraction's decrease. In decreasing and increasing gradients, unburned methane declined respectively 99% and 52% in comparison with no field.

کلیدواژه‌ها [English]

  • non-premixed flame
  • Magnetic field
  • decreasing and increasing-gradient
  • paramagnetic species
  • magnetic force per unit volume
F. Khaldi, K. Messadek, and A. M. Benselama, "Isolation of gravity effects on diffusion flames by magnetic field," Microgravity Science and Technology, vol. 22, no. 1, pp. 1-5, 2010.

[2]        P. Gillon, J. Blanchard, and V. Gilard, "Magnetic field influence on coflow laminar diffusion flames," Russian Journal of Physical Chemistry B, Focus on Physics, vol. 4, no. 2, pp. 279-285, 2010.

[3]        E. Yamada, M. Shinoda, H. Yamashita, and K. Kitagawa, "Numerical analysis of a hydrogen-oxygen diffusion flame in vertical or horizontal gradient of magnetic field," Combustion science and technology, vol. 174, no. 9, pp. 149-164, 2002.

[4]        M. Faraday, "LXIV. On the diamagnetic conditions of flame and gases," The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, vol. 31, no. 210, pp. 401-421, 1847.

[5]        S. Ueno and K. Harada, "Experimental difficulties in observing the effects of magnetic fields on biological and chemical processes," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 22, no. 5, pp. 868-873, 1986.

[6]        S. Ueno and K. Harada, "Effects of magnetic fields on flames and gas flow," IEEE Transactions on Magnetics, vol. 23, no. 5, pp. 2752-2754, 1987.

[7]        T. Aoki, "Radicals' emissions and butane diffusion flames exposed to upward-decreasing magnetic fields," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 28, no. 5R, p. 776, 1989.

[8]        T. Aoki, "Radical emissions and anomalous reverse flames appearing in upward-increasing magnetic fields," Japanese journal of applied physics, vol. 29, no. 1R, p. 181, 1990.

[9]        T. Aoki, "Radical emissions and butane diffusion flames exposed to uniform magnetic fields encircled by magnetic gradient fields," Japanese Journal of Applied Physics, vol. 29, no. 5R, p. 952, 1990.

[10]      N. I. Wakayama, "Magnetic promotion of combustion in diffusion flames," Combustion and Flame, vol. 93, no. 3, pp. 207-214, 1993.

[11]      J. Baker and M. E. Calvert, "A study of the characteristics of slotted laminar jet diffusion flames in the presence of non-uniform magnetic fields," Combustion and flame, vol. 133, no. 3, pp. 345-357, 2003.

[12]      S. Swaminathan, "Effects of magnetic field on micro flames," Louisiana State University, 2005.

[13]      W.-f. Wu, J. Qu, K. Zhang, W.-p. Chen, and B.-w. Li, "Experimental Studies of Magnetic Effect on Methane Laminar Combustion Characteristics," Combustion Science and Technology, vol. 188, no. 3, pp. 472-480, 2016.

[14]      M. Shinoda, E. Yamada, T. Kajimoto, H. Yamashita, and K. Kitagawa, "Mechanism of magnetic field effect on OH density distribution in a methane–air premixed jet flame," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 30, no. 1, pp. 277-284, 2005.

[15]      I. Barmina, R. Valdmanis, M. Zake, H. Kalis, M. Marinaki, and U. Strautins, "Magnetic field control of combustion dynamics," Latvian Journal of Physics and Technical Sciences, vol. 53, no. 4, pp. 36-47, 2016.

[16]      I. Barmina, M. Zake, U. Strautins, and M. Marinaki, "Effects Of Gradient Magnetic Field On Swirling Flame Dynamics," in Proceedings of International Conference “Engineering for Rural Development, pp. 148-154, 2017.