بررسی دینامیک جریان برشی محوری گذر-بحرانی در شعله کرایوژنیک متان-اکسیژن مایع و هیدروژن _کسیژن مایع با استفاده از SLFM گاز واقعی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی شریف

2 دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی هوافضا، تهران، ایران

10.22034/jfnc.2021.243810.1242

چکیده

در مقاله حاضر، دینامیک جریان شعله­ های گذربحرانی برشی محوری متان-اکسیژن مایع و هیدروژن-اکسیژن مایع مورد بررسی قرار گرفته است. به­­ منظور صحه­ گذاری، نتایج حاصل از شبیه­سازی عددی با نتایج تجربی مورد مقایسه قرار گرفته است. از مدل k-ε استاندارد برای شبیه­ سازی آشفتگی استفاده شده است. به­ منظور برهمکنش احتراق و آَشفتگی، از مدل فلیملت پایا (SLFM) با جداول گاز واقعی استفاده شده است. جداول مربوط به مدل فلیملت در شرایط گاز واقعی از نرم­افزار منبع باز کانترا استخراج شده است. در ابتدا مشاهده می­ شود که علی­رغم تفاوت قابل ­توجه در فضای فیزیکی بین شرایط گاز واقعی و گاز ایدئال برای شعله متقابل در محیط کسر مخلوط تفاوت قابل ­توجهی وجود ندارد، با این حال، در شرایط نزدیک خاموشی تفاوت بین حال گاز واقعی و گاز ایدئال وجود دارد. با بررسی رفتار شعله گذربحرانی برشی محوری مشاهده می ­شود که تاثیر عمده در شکل شعله ناشی از تغییرات نسبت شار جرمی سوخت و اکسنده است. با افزایش میزان نسبت شار جرمی سوخت به اکسنده، به­ دلیل افزایش گرانروی آَشفتگی و درنتیجه انتقال حرارت به هسته چگال اکسیژن، پدیده شبه ­جوشش با سرعت و نرخ بیشتری رخ می­ دهد و درنتیجه طول شعله کاهش می­ یابد. در شعله متان-اکسیژن مایع، به ­دلیل چگالی بیشتر متان، در نسبت شار جرمی­ های کمتر (در حدود 5)، گردابه پیشانی شعله شکل می­ گیرد، در حالی که برای شعله هیدروژن در نسبت شار جرمی 25 گردابه پیشانی شعله شکل می­ گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigation of Transcritical Shear flow’s Dynamics in the GH2/LOX and GCH4/LOX Cryogenic Flames with Real Gas SLFM

نویسندگان [English]

  • حامد زینی وند 1
  • Ali Sarvari 2
  • محمد فرشچی 1
1 Sharif university of technology
2 Aerospace Department, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده [English]

The dynamics of transcritical shear flames of GH2-LOX and GCH4-LOX has been investigated numerically. Present results have been compared with available experimental data that show reasonable agreement. The standard k-ε model is applied to simulate flow field. For the combustion and turbulence interaction a steady laminar flamelet model (SLFM) with real gas table has been adapted. Real gas flamelet tables obtained from the Cantera open source code. Initially, it is observed that in the physical space, the difference between real gas condition and ideal gas is significant in terms of the position and dimensions of the flame for the transcritical state. In the mixture fraction space, there is no significant difference between the real gas solution and the ideal gas. However, in near extinction point there is considerable difference. On the other hand it is shown that in the transcritical shear flames the mass flux ratio of fuel and oxidizer is most important parameter from view-point of flame shape and dimension. With increase of the mass flux ratio, the turbulent viscosity and heat transfer in the shear layer increases drastically. Accordingly, the pseudo-boiling phenomenon causes the flame shape and dimension changed remarkably. In the GCH4-LOX flame due to higher density of methane, at the lower mass flux ratio (about 5), a strong recirculation appeared in the front of the flame, while in the GH2-LOX flame this vortex formed around mass flux ratio of 25.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Transcritical injection.supercritical flame
  1. J. W. Foster and R. S. Miller, “Fundamentals of High Pressure Combustion,” Chapter in High Pressure Processes in Chemical Engineering, Edited by M. Lackner, ProcessEng Engineering GmbH, pp. 53-75, 2010.
  2. G. M. Bianchi, P. Pelloni, F. E. Corcione, L. Allocca and F. Luppino, “Modeling atomization of high-pressure diesel sprays,” J. Eng. Gas Turb. Power, 123, 2001, pp. 419–427.
  3. J. Oefelein, R. Dahms, G. Lacaze, J. Manin and L. Pickett, “Effects of pressure on fundamental physics of fuel injection in diesel engines,” Proc. of the 12th Int. Conf. on Liquid Atomization and Spray Systems (ICLASS), Heidelberg, Germany, 2012.
  4. D. T. Banuti, “Crossing the widom-line-supercritical pseduo-Boiling,” J. Super Fluids, 98, 2015, pp. 12-16.
  5. J. Bellan, “Supercritical (and subcritical) fluid behavior and modeling, drops, streams, shear and mixing layers and sprays,” Prog. Energy Combust Sci, 26, 2000, pp. 329-366.
  6. J. A. Newman and T. A. Brzustowski, “Behavior of a liquid jet near the thermodynamic critical region,” AIAA J., 9, 1971, pp. 1595-1602.
  7. M. Oschwald, J. J. Smith, R. Branam, J. Hussong, A. Schik, B. Chehroudi and D. Talley, “Injection of fluids into supercritical environments,” Combust. Sci. Tech., 178, 2006, pp. 49-100.
  8. W. Mayer, A. Shick, B. Christian Chauveau, I. Go¨ kalp, D. Talley and R. Woodward, “Atomization and Breakup of Cryogenic Propellants under High-Pressure Subcritical and Supercritical Conditions,” Journal of Propulsion and Power, 14, No. 5, 1998, pp. 835-842.
  9. B. Chehroudi, T. D. Talley and E. Coy, “Visual characteristics and initial growth rates of round cryogenic jets at subcritical and supercritical pressures,” Phys. Fluids., 14, No. 2, 2002, pp. 580-861.
  10. M. C. Decker, A. Schik, U. E. Meier and R. W. Stricker,