محاسبه صدا در شعله ی آزاد جت غیرپیش آمیخته با استفاده از ترکیب یک روش تحلیلی و شبیه سازی گردابه های بزرگ

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مکانیک دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

2 دانشگاه تربیت مدرس

3 دانشگاه کویینز- بلفاست ایرلند

چکیده

در کار حاضر صدای احتراق ناشی از شعله ی آزاد غیرپیش آمیخته مغشوش محاسبه شده است. در بین روش هایی که برای محاسبه ی صدا وجود دارد، ترکیب حل تحلیلی معادله ی لایتهیل و شبیه سازی دینامیک سیالات محاسباتی انتخاب شده است. به این صورت که معادلات جریان و احتراق با روش شبیه سازی گردابه های بزرگ و یک مدل احتراقی نرخ محدود حل شده و پس از بررسی صحت حل انجام شده، عبارت های مربوط به چشمه های صدای احتراق شامل نوسان انتشار حرارت و نوسان تولید و مصرف گونه ها از نتایج آن استخراج شده است. در ادامه، فشار اکوستیک ناشی از این چشمه ها در دوردست با حل تحلیلی معادله لایتهیل با تابع گرین و با فرض فشردگی شعله به دست آمده است. سپس مقدار شدت صدا با نتایج تجربی مقایسه شده و در بازه ای از فرکانس ها تطابق نسبتا خوبی داشته است. نتایج نشان می دهند که استفاده از این روش تحلیلی و فرض فشردگی شعله، در عین حال که هزینه محاسباتی کمی را در محاسبه ی فشار اکوستیک نسبت به حل عددی معادله ی لایتهیل تحمیل می کند، می تواند نتایج قابل قبولی را نیز در محاسبات اکوستیک ارائه دهد. همچنین صدای ناشی از نوسان تولید و مصرف گونه ها در مقابل نوسان انتشار حرارت ناچیز بوده و قابل چشم پوشی است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Noise calculation in a turbulent non-premixed flame using a hybrid analytical-LES method

نویسندگان [English]

  • Faezeh Ehsaniderakhshan 1
  • Kiumars Mazaheri 2
  • Yasser Mahmoudi 3
1 Mechanical Engineering department, Tarbiat Modares university, Tehran,Iran.
2 Tarbiat Modares University.
3 Queen's University Belfast Ireland
چکیده [English]

In the present work, the noise of a turbulent non-premixed free flame is calculated. A Hybrid method with Lighthill analogy along with a CFD simulation is used to evaluate combustion noise. In this way, the reactive flow equations are solved by the Large Eddy Simulation and Partially Stirred Reactor model to simulate the interaction of turbulence and reaction. Then the combustion noise source terms including heat release fluctuation and non-isomolar combustion are extracted and used as the sources of Lighthill analogy. The assumption of compact flame is applied to the Lighthill equation and the Green function is used to calculate far field pressure fluctuations. It was shown that in low and medium frequency sound pressure level is in a good agreement with experimental data. By the way at the high frequencies the pressure level does not follow the experimental data. This discrepancy can be related to the compact flame assumption used in analytical solution. The results show that this analytical method can produce acceptable results with a low computational cost. Also, the noise emitted by the non-isomolar fluctuations is negligible against that of heat release fluctuations and can be ignored.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Combustion Noise
  • Large Eddy Simulation
  • Lighthill Analogy
  • turbulent flame
  • PaSR
  1. A. Dowling and J. Williams, Sound and sources of sound, John Wiley & Sons, Inc., NewYork, USA, 1983.
  2. A. P. Dowling and Y. Mahmoudi, “Combustion noise,” Procceding of Combustion Institute, 35, No. 1, 2014, pp. 65-100.
  3. W. Layton and A. Novotný, “On Lighthill’s acoustic analogy for low Mach number flows,” New directions in mathematical fluid mechanics, Basel, Birkhäuser, Switzerland, 2010, pp. 247-279.
  4. F. Farassat, M. J. Doty and C. A. Hunter, “The Acoustic Analogy-A Powerful Tool in Aeroacoustics with Emphasis on Jet Noise Prediction,” 10th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Manchester, pp. 2872-2888, 2004.
  5. C. F. Silva, M. Leyko, F. Nicoud, and S. Moreau, “Assessment of combustion noise in a premixed swirled combustor via Large-Eddy Simulation,” Computers & Fluids, 78, No. 33, 2013, pp. 1–9.
  6. D. G. Crighton, A. P. Dowling, J. E. F. Williams, M. Heckl, and F. G. Leppington, Modern methods in analytical acoustics lecture notes, Springer-Verlag Berlin, 1992.
  7. E. Manoha, S. Redonnet and S. Caro “Computational Aeroacoustics,” Encyclopedia of Aerospace Engineering, John Wiley & Sons, pp. 1–16, 2010.
  8. A. Haghiri, M. J. Brear, M. Talei, E. R. Hawkes, and C. Jime, “Sound generation by premixed flame annihilation with full and simple chemistry,”Proceedings of the Combustion Institute, 35, No. 3, 2015, pp. 3317–3325.
  9. M. Ihme and H. Pitsch, “On the generation of direct combustion noise in turbulent non-premixed flames,” International Journal of Aeroacoustics, 11, No. 1, 2012, pp. 25–78.
  10. W. Meier, R. S. Barlow, Y. L. Chen, J. Y. Chen, “Raman / Rayleigh / LIF Measurements in a Turbulent CH4/H2/N2 Jet Diffusion Flame: Experimental Techniques and Turbulence–Chemistry Interaction,” Combustion and Flame, 123, 2000, pp. 326–343.
  11. K. K. Singh, S. H. Frankel, and J. P. Gore, “Study of Spectral Noise Emissions from Standard Turbulent Nonpremixed Flames,” AIAA journal, 42, No. 5, pp. 931-936, 2004.
  12. Y. Liu, “Two-time correlation of heat release rate and spectrum of combustion noise from turbulent premixed flames,” Journal of Sound and Vibration, 353, 2015, pp. 119–134.
  13. T. Livebardon, S. Moreau, L. Gicquel, T. Poinsot, and E. Bouty, “Combining LES of combustion chamber and an actuator disk theory to predict combustion noise in a helicopter engine,” Combustion and Flame, 165, 2016, pp. 272-287.
  14. R. Ewert, B. Noll, F. Grimm, and M. Aigner, “Modelling of combustion acoustics sources and their dynamics in the PRECCINSTA burner test case,”International Journal of Spray and Combustion Dynamics, 9, No. 4, 2017, pp. 330-348.
  15. B. Muhlbauer, B. Noll, R. Ewert, O. Kornow, and A. Manfred, “Numerical RANS/URANS simulation of combustion noise,” in Combustion Noise, A. Schwarz and J. Janicka, Eds. Springer, 2008, pp. 2–31.
  16. N. Swaminathan, G. Xu,  A. P. Dowling, and R. Balachandran, “Prediction of Sound Emission from Open Turbulent Premixed Flames,” 16th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf., Stockholm, Sweden, 2010.
  17. A. H. Lefebvre and D. R. Ballal., Gas turbine combustion: alternative fuels and emissions, CRC press, New York, USA, 2010.
  18. T. Bui, M. Ihme, M. Meinke, W. Schroeder, and H. Pitsch, “Numerical Investigation of Combustion Noise and Sound Source Mechanisms in a Non-Premixed Flame Using LES and APE-RF,” 13th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conf., Rome, Italy, (28th AIAA Aeroacoustics Conf.), 2007.
  19. N. Swaminathan, G. Xu, A. P. Dowling, and R. Balachandran, “Heat release rate correlation and combustion noise in premixed flames,” Journal of Fluid Mechanics, 681, 2011, pp. 80-115.
  20. T. Poinsot and D. Veynante, “Theoretical and Numerical Combustion,” Combustustion and Flame, 124, 2001, pp. 534-558.
  21. V. Sabelnikov and C. Fureby, “Extended LES-PaSR Model for Simulation of Turbulent Combustion,” Progress in Propulsion Physics, 4, 2013, pp. 539–568.
  22. T. J. Poinsot and D. P. Veynante, Theoretical and numerical combustion, RT Edwards, Philadelphia, PA, 2005.
  23. H. Pitsch, Modeling Turbulent Combustion, CEFRC Combustion Summer School, New Jersey, USA, 2014.
  24. D. Christ, “Simulating the combustion of gaseous fuels.” 6th OpenFoam Workshop Training Session., Pennsylvania State University, USA, 2011.
  25. J. Bibrzycki and T. Poinsot, “Reduced chemical kinetic mechanisms for methane combustion in O2/N2 and O2/CO2 atmosphere.” Working note ECCOMET WN/CFD/10, 2010.
  26. R. W. Bilger, S. H. Starner, and R. J. Kee, “On reduced mechanisms for methane-air combustion in nonpremixed flames,” Combustion and Flame, 80, No. 2, 1990, pp. 135–149.
  27. S. W. Rienstra and A. Hirschberg, An Introduction to Acoustics,Eindhoven University of Technology, 2016.
  28. F. Jacobsen and P. Juhl, Fundamentals of general linear acoustics, John Wiley & Sons, West Sussex, UK, 2013.