مدل‏ سازی احتراق مغشوش با استفاده از مدل واکنشگاه اختلاط ایدئال اصلاح‌شده

شهانقی, علی; پاسدار شهری, هادی

doi:10.22034/jfnc.2019.93681

مدل‏ سازی احتراق مغشوش با استفاده از مدل واکنشگاه اختلاط ایدئال اصلاح‌شده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ دانشحوی دکتری/دانشگاه تربیت مدرس

² دانشگاه تربیت مدرس

10.22034/jfnc.2019.93681

چکیده

در این مقاله به بررسی تاثیر اضافه کردن جمله اثر میدان جریان در رابطه محاسبه تغییرات گونه در مدل برهم‏کنش احتراق و اغتشاشات واکنشگاه اختلاط‏ ایدئال (PSR) پرداخته شده است. نتایج مدل اصلاح شده با نتایج مدل واکنشگاه اختلاط ایدئال مقایسه و تحلیل شده است. مدل احتراقی مورد استفاده در این مقاله مدل اتلاف گردابه بوده و میدان سیال مغشوش با استفاده از مدل اغتشاشی k-ε استاندارد شبیه‏ سازی شده است. هندسه مورد استفاده مشعل سندیا D است که بهصورت متقارن محوری درنظر گرفته شده است. سینتیک درنظر گرفته شده برای شبیه‏ سازی واکنش‏ ها سینتیک 19 گونه‏ای DRM بوده و شبیه‏ سازی‏ ها به وسیله نرم ‏افزار اپن ‏فوم انجام گرفته و مدل احتراقی و مدل برهم‏کنش احتراق و اغتشاشات بهصورت جداگانه بر روی این نرم‏ افزار پیاده‏ سازی شده است. درنهایت، نتایج به دست آمده با استفاده از نتایج تجربی صحت‏ سنجی شده است. نتایج به دست آمده بیانگر توانایی مدل اصلاح شده در بهبود پیش بینی ها در ناحیه با اختلاط بالای شعله به سبب اعمال تاثیر اغتشاشات در محاسبه نرخ تعییرات گونه است. نتایج نشان دادند در راستای محور شعله استفاده از مدل اصلاح شده به بهبود پیش‏بینی‏ ها در توزیع اسکالرهای واکنشی و همچنین سرعت خواهد انجامید و ناحیه شعله به درستی پیش‏بینی خواهد شد. میزان بهبود نتایج در پیشبینی سرعت، دما و گونه ها به ترتیب تا 10، 14 و 15 درصد است. نتایج در راستای شعاعی تفاوت چندانی با مدل اصلاح نشده نداشت، زیرا اثر جمله اختلاط مغشوش در نواحی دورتر از ناحیه مرکزی، به دلیل کاهش اختلاط در این نواحی، اندک است.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

A Comprehensive study on simulation of turbulent combustion using modified perfectly stirred reactor model

نویسندگان [English]

Ali Shahanaghi ¹
Hadi Pasdarshahri ²

¹ Phd Candidate/ Tarbiat Modares University

² Tarbiat Modares University

چکیده [English]

Different versions of Perfectly Stirred Reactor (PSR) have been examined in the simulation of a methane-air jet flame, Sandia flame D. These models have been incorporated with a turbulent mixing based combustion model, Eddy Dissipation Concept (EDC), to address the interaction between turbulent flow field and chemical reactions. Turbulent small scale effects were modeled using Reynolds Average Navier Stokes (RANS) approach. A reduced chemical mechanism (DRM) was used in order to calculate the species reaction rates. Velocity profiles were in good agreement with experimental data. The modified model applied the effect of turbulent mixing by altering the PSR’s species transport equation. Using the modified model resulted in an inevitable enhancement on the reactive scalar’s distribution along the central axis. However the distribution of the scalar showed a slight over-prediction at the flame location, which was originated from using the reduced mechanism. The model capability in predicting the turbulent flame interaction was examined using a Computational Fluid Dynamic (CFD) toolbox, OpenFOAM.

کلیدواژه‌ها [English]

Perfectly Stirred Reactor
Turbulent Combustion
Eddy Dissipation Concept
Sandia flame D
RANS simulation

مراجع

N. Peters, Turbulent combustion, vol. 54, Cambridge university press, 2000.
C. K. Law, Combustion physics, Cambridge university press, 2006.
V. R. Lecoustre, P. Narayanan, H. R. Baum and A. Trouvé, "Local extinction of diffusion flames in fires," Fire Saf. Sci, 10, 2011, pp. 583–95.
D. A. Lysenko, I. S. Ertesvåg, K. E. Rian, B. Lilleberg and D. Christ, "Numerical simulation of turbulent flames using the Eddy Dissipation Concept with detailed chemistry,"Seventh National Conference on Computational Mechanics, Trondheim, 13-14 May 2013.
B. Lilleberg, D. Christ, I. S. Ertesvåg, K. E. Rian and R. Kneer, "Numerical simulation with an extinction database for use with the eddy dissipation concept for turbulent combustion," Flow, Turbul Combust, 2, 2013, pp. 319–46.
E. Ghasemi, S. Soleimani and C. X. Lin, "RANS simulation of methane-air burner using local extinction approach within eddy dissipation concept by OpenFOAM," Int Commun Heat Mass Transf , 54, 2014, pp. 96–102.
A. Y. Snegirev and A. S. Tsoy, "Treatment of local extinction in CFD fire modeling," Proc Combust Inst, 35, 2015, pp. 2519–7489.
S. Zahirović, R. Scharler, P. Kilpinen and I. Obernberger, "Validation of flow simulation and gas combustion sub-models for the CFD-based prediction of NOx formation in biomass grate furnaces," Combust Theory Model, 15, 2010, pp. 61–87.
B. B. Dally, D. F. Fletcher and A. R. Masri, "Flow and mixing fields of turbulent bluff-body jets and flames," Combust Theory Model, 2, No. 2, 1998, pp.193-219.
A. R. Masri, R. Cao, S. B. Pope and G. M. Goldin, "PDF calculations of turbulent lifted flames of H2/N2 fuel issuing into a vitiated co-flow," Combust Theory Model, 8, No. 1, 2004, pp.1-22.
A. Habibi, B. Merci and D. Roekaerts, "Turbulence radiation interaction in Reynolds-averaged Navier–Stokes simulations of nonpremixed piloted turbulent laboratory-scale flames," Combust Flame, 151, 2007, pp. 303–20.
B. Merci and E. Dick, "Influence of computational aspects on simulations of a turbulent jet diffusion flame" Int J Numer Methods Heat Fluid Flow, 13, 2003, pp. 887–98.
Z. Li, A. Cuoci, A. Sadiki and A. Parente, "Comprehensive numerical study of the Adelaide Jet in Hot-Coflow burner by means of RANS and detailed chemistry," Energy, 139, 2017, pp. 555–70.
A. Y. Snegirev, "Perfectly stirred reactor model to evaluate extinction of diffusion flame," Combust Flame, 162, 2015, pp. 2180–3622.
N. Peters, "Laminar diffusion flamelet models in non-premixed turbulent combustion." Prog Energy Combust Sci,10, 1984, pp. 319–39.
J. Xu and S. B. Pope, "PDF calculations of turbulent nonpremixed flames with local extinction," Combust Flame, 123, 2000, pp. 281–307.
B. F. Magnussen and B. H. Hjertager, "On mathematical modeling of turbulent combustion with special emphasis on soot formation and combustion," Symp. Combust, 16, 1977, pp. 719–29.
H. Pitsch and H. Steiner, "Large-eddy simulation of a turbulent piloted methane/air diffusion flame (Sandia flame D)," Phys Fluids, 12, 2000, pp. 2541–54.
A. W. Vreman, B. A. Albrecht, J. A. van Oijen, L. P. H. de Goey and R. J. M. Bastiaans, "Premixed and nonpremixed generated manifolds in large-eddy simulation of Sandia flame D and F," Combust Flame, 153, 2008, pp. 394–416.
M. Ihme and H. Pitsch, "Prediction of extinction and reignition in nonpremixed turbulent flames using a flamelet/progress variable model: 2. Application in LES of Sandia flames D and E," Combust Flame, 155, 2008, pp. 90–107.
S. Byggstøyl, B. F. Magnussen, "A model for flame extinction in turbulent flow," Turbul. Shear Flows, 4, 1985, pp. 381–95.
S. Vilfayeau, Large eddy simulation of fire extinction phenomena, PHD Thesis, University Of Maryland, College Park, 2015.
A. Shahanaghi, H. Pasdarshahri, "Numerical simulation local extinction in a premixed flame," 17th Fluid Dynamic Conference, (FDC) Shahrood, Iran, FD2017, Aug. 2017
B. F. Magnussen, "The Eddy Dissipation Concept- A Bridge Between Science and Technology," ECCOMAS Themat. Conf. Comput. Combust., Libson, Portugal, 2005.
B. Magnussen, "On the structure of turbulence and a generalized eddy dissipation concept for chemical reaction in turbulent flow," 19th Aerospace Sciences Meeting, St. Louis, USA, 1981.
G. Wanner and E. Hairer, "Solving ordinary differential equations II: Stiff and differential-algebraic problems," 2nd ed. Springer Series in Computational Mathematics, Springer-Verlag (1996).
A. Kazakov and M. Frenklach, Reduced reaction sets based on GRI-Mech. 1.2, Univ. Calif. Berkeley, Berkeley, CA, 1994, Http//Www Me Berkeley Edu/Drm, Accessed 20 Sep. 2018.
R. S. Barlow, Proceedings of the international workshop on measurement and computation of turbulent non premixed flames, No. SAND-96-8564, CONF-9607206, Sandia National Labs., Livermore, CA (United States), 1996.
C. Schneider, A. Dreizler, J. Janicka and E. P. Hassel, "Flow field measurements of stable and locally extinguishing hydrocarbon-fuelled jet flames," Combust Flame, 135, 2003, pp. 185–90.