Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Analysis and measurement of performance parameters of combustion by adding chamber to a double swirl burner

Document Type : Original Article

Authors
ali asadifard 1
sadegh Tabejamaat 2
abbas zandilak 3
behrad karimi 4
1 دانشکده هوافضا دانشگاه صنعتی امیرکبیر
2 Amirkabir university of technology
3 AmirKabir unoversity of technology
4 AmirKabir University of Technology
10.22034/jfnc.2026.564242.1452
Abstract
Double swirl burners are an advanced type of burner designed to improve combustion and increase flame stability. The burner used consists of two separate swirling air streams. In this paper, various experiments were performed on the burner. Subsequently, the results obtained from the experiments were repeated with a combustion chamber installed around the burner to analyze and investigate the changes that occurred. Key variables include the equivalence ratio, inner swirl number, outer swirl number, and flow split ratio.
Double swirl burners are a type of advanced burner designed to improve combustion and increase flame stability and efficiency. The burner used in current consists of two separate swirling air streams. Various experiments have been performed and the results obtained from the tests have been repeated in the case of installing a chamber on the burner to analyze and examine the changes that have occurred. The basic variables include the equivalence ratio, inner swirl number, outer swirl number and flow split ratio. Tests conducted in both cases without a chamber and with a chamber indicate that adding a chamber generally limits the stability of the burner and in some cases results in a longer flame length. In addition, the results show that adding a chamber in some places causes the lean blowout limit to extend to lower equivalence ratios. It is also shown that in certain conditions, increasing the outer flow split ratio leads to a shorter flame length and an increase in flame width; both effects were simultaneously observed in the flame area as well. In addition, at the points that were performed for both configuration (with and without the chamber), with a certain confinement ratio, the flame liftoff height did not change.

Highlights

1. Lean Blowout Limit: The combustion chamber extended the stable combustion envelope to leaner mixtures.

2. Open Configuration: Reducing inner swirl sometimes broadened the flame, sometimes had no effect. Maximum luminosity occurred when inner and outer flow split ratios were nearly equal.

3. Confinement Effect: The chamber contracted the inner recirculation zone by expanding the outer recirculation zone via wall impingement, compressing the combustion region. Increasing inner swirl expanded the flame cone angle, a trend unaffected by confinement. Confinement drastically reduced flame liftoff height, making the flame mostly attached.

4. Combined Effects: Under confinement, flame length varied non-monotonically with inner swirl and was strongly modulated by outer swirl, which promoted flame shortening. Flame projected area and width depended markedly on outer swirl intensity and flow rate.

In essence: Adding a combustion chamber fundamentally alters flame morphology and dimensions through complex swirl–flow interactions, while also improving stability margins.

 

 

Keywords
Combustion Chamber
Double Swirl Burner
Swirl Number
Combustion Parameters
Subjects

مطالعه احتراق به‌خودی‌خود همواره در جهت بهینه سازی و تأمین مصرف انرژی انجام شده است. در طول دهه‌های گذشته تمرکز بر روی مشعل‌های با کارایی بالا بیشتر شده است. از جمله روش‌های کارایی و پایداری بیشتر شعله، پیچش دادن به جریان به روش‌های مختلف است. مشعل دوپیچشی نوعی مشعل پیشرفته است که با یک پیچش داخلی و یک پیچش خارجی به صورت هم‌گرد یا خلاف‌هم‌گرد موجب کارایی بیشتر و افزایش کیفیت احتراق می‌شود. این پیچش جریان، کیفیت احتراق، پایداری شعله و کاهش اکسیدهای نیتروژن را تضمین می‌کند.

در این پژوهش، برخی ویژگی‌های کلیدی احتراق از جمله محدوده‌ی احتراق رقیق، پایداری شعله، ساختار شعله، ارتفاع بلند‌شدگی شعله، طول، عرض و مساحت شعله در دو وضعیتِ بدون محفظه و با محفظه، مورد مطالعه قرار گرفته است. این بررسی بر پایه‌ی متغیرهای بی‌بعدی نظیر عدد پیچش داخلی، عدد پیچش خارجی، نسبت تقسیم جریان و نسبت هم‌ارزی انجام خواهد شد؛ هدف از این تحلیل، دستیابی به درکی عمیق‌تر از رفتار و ادبیات عملکردی مشعل‌های پیچشی است. همچنین، با استخراج و تحلیل شکل‌های مرتبط، امکان مقایسه‌ی ویژگی‌های شعله در دو حالت موردنظر فراهم خواهد شد. باتوجه ‌به اینکه ممکن است نقاط پایدار در حالت با محفظه دقیقاً همان نقاط در حالت بدون محفظه نباشد، در ابتدا شکل‌های مربوط به حالت بدون محفظه تدوین خواهد شد و در ادامه، نقاط پایداریافته در حالت با محفظه با نقاط متناظر در حالت بدون محفظه مقایسه خواهند شد. در ادامه، مرور ادبیات برای دو حالت مشعل‌های دوپیچشی بدون محفظه و با محفظه تنظیم شده است.

اولین تلاش‌ها برای مطالعه منظم و ساختاریافته رژیم جریان پیچشی در مطالعات گوپتا و همکاران [1] ذکر شده است. گوپتا و همکاران در بخشی از کتاب خود به بررسی آیرودینامیک جریان در حالتی که سوخت به‌صورت غیرپیش‌آمیخته با زاویه خاص به هوای پیچشی برخورد می‌کند و حالتی که سوخت به‌صورت پیش‌آمیخته با هوای پیچشی از مجرای نازل مشعل خارج می‌شود، پرداختند. آن‌ها دریافتند وابسته به نحوه‌ای که عدد پیچش در یک سامانه ایجاد شده است، تعریف عدد پیچش (‌شار محوری تکانه پیچشی به شار محوری تکانه محوری‌) با برخی فرض‌ها، به عبارت‌های ساده تر تبدیل می‌شود. در یک جریان پیچشی آن‌ها نیز دریافتند اثر پیچش‌های ضعیف (عدد پیچش تا 4/0)، افزایش ضخامت جت‌های آزاد یا محصور است. در این حالت تغییر فشار در بقای تکانه محوری باعث خواهد شد با افزایش فاصله شعاعی از محور مرکزی مشعل، باعث بهبود جت‌های آزاد یا محصور شود. این پژوهشگرها همچنین در جریان‌های جت بدون پیچش یا با پیچش ضعیف، متوجه تشکیل گردابه‌های حلقه‌ای‌شکل در لایه برشی شدند، و اذعان داشتند در جت‌های با پیچش شدید، ساختارهای گردابه‌ای مارپیچی در لایه اختلاط شکل گرفته و باعث بهبود اختلاط می‌شوند و زمانی که نرخ پیچش از یک مقدار بحرانی مشخص فراتر رود، ناپایداری گردابه‌ای در جت‌های پیچشی رخ خواهد داد. وانگ و همکاران [2] در یک احتراق نفوذی متان و هوا که به صورت هم‌محور ایجاد شده‌ بود دریافتند که در یک لوله محصور، ارتفاع شعله با افزایش سرعت سوخت در مجرای مرکزی، تا زمانی که به حالت بلندشدگی شعله درآید، افزایش می‌یابد. در تست‌های احتراق دیزل و سوخت مایع‌، ماتر و همکاران [3] سوخت دیزل را به صورت هم محور با استفاده از پیچشگر به‌صورت غیر‌پیش‌آمیخته از مجرای داخلی با جریان غیر‌پیش‌آمیخته هوا و سوخت مایع که از مجرای خارجی عبور می‌کرد، محترق کردند و نتیجه گرفتند که استفاده از دوپیچش باعث افزایش دمای خط مرکزی شعله شده و همچنین مقدار بهینه تزریق سوخت مایع در مجرای داخلی باعث کاهش اکسیدهای نیتروژن خواهد شد. در شعله‌های دو-پیچشی رقیق، ایجاد و تقویت ناحیه پیچشی داخلی(IRZ) برای پایداری شعله ضروری است. گزارش شده که با افزایش عدد پیچش، شعله‌ها توانایی کارکرد در نسبت‌های هم‌ارزی ضعیف‌تر (رقیق‌تر) پیدا می‌کنند. برای نمونه کوزی و همکاران[4] مشاهده کردند که در مشعلشان با پیچش زیاد جت مرکزی، توانسته‌اند در شرایط نسبت هم‌ارزی بسیار کم (رقیق) شعله را نگه دارند. در مطالعه‌ای دیگر، کونیگ و همکاران[5] نشان دادند که عدد پیچش بالای تقریباً 9/0 برای حفظ پایداری شعله ضروری است، چرا که نیروی محوری بالاتر، شعله را با جت سوخت تثبیت می‌کند و پایداری را افزایش می‌دهد. البته این فزونی پیچش یک حد بهینه دارد؛ پیچش بیش از حد باعث سرریز (IRZ) به بالادست محفظه و پدیده بازگشت شعله می‌شود. به علاوه، اثر نسبت هم‌ارزی بر پایداری و آلاینده‌ها در مشعل‌های چرخان ثابت شده است: وقتی نسبت هم‌ارزی کاهش یابد (شعله رقیق‌تر شود)، دمای شعله پایین آمده و تولید اکسیدهای نیتروژن کاهش می‌یابد، اما در عین حال احتراق ناقص بیشتر شده و مقدار کربن‌مونواکسید به شدت افزایش می‌یابد. در حقیقت اصلی‌ترین دلیل پیچش در احتراق به دلیل پایداری شعله، تولید کمتر اکسیدهای نیتروژن و جلوگیری از ایجاد هیدروکربن‌های نسوخته و کربن مونوکسید و مولکول‌های با ظرفیت اشباع نشده است. البته افزایش پیچش در سامانه احتراقی تا فراتر از حد مشخصی، باعث به‌وجودآمدن هسته گردابه پیش‌رونده نیز می‌شود که باعث بلندشدگی شعله و ناپایداری آن خواهد شد[4]. مطالعه‌های گسترده‌ای پیرامون ناپایداری ناشی از احتراق‌های پیچشی انجام شده است.‌ هاونگ و یانگ [6] در مطالعات خود بر روی محفظه احتراق‌های رقیق پیش‌آمیخته به این نتیجه رسیدند که منبع ناپایداری در مشعل‌های پیچشی به 4 پدیده اصلی برمی‌گردد 1- گردابه‌های مقیاس بزرگ در پایین دست تزریقگر سوخت که به تعامل با شعله و آزادسازی گرمایی نوسانی در شعله مربوط است. 2- نوسانات نسبت سوخت به هوا که از امواج صوتی بالادست جریان نشئت می‌گیرد 3- گوناگونی سطح شعله در اثر بر هم کنش امواج صوتی و گردابه‌های مقیاس بزرگ و 4- تناوب‌های صوتی که در اثر ناپایداری به وجود می‌آید و اتمایزه کردن قطرات را تحت تأثیر قرار می‌دهد. جی و همکاران [7] در یک مشعل پیچشی که متان و هوا به‌صورت پیش‌آمیخته ترکیب شده بودند، مشاهده کردند که محصور کردن احتراق می‌تواند به‌طور قابل‌توجهی محدوده‌های خاموشی را بهبود دهد. این اثرمساعد با افزایش نسبت محصورسازی محفظه احتراق تا اندازه مشخصی، بیشتر می‌شود. آن‌ها این پدیده را برای نسبت محصورسازی 3، ناشی از اثر ناحیه گردش خارجی، و در نسبت محصورسازی 2، ‌ناشی از اثر ناحیه گردشی داخلی دانستند. تأثیر نسبت قطر محفظه به قطر تیغه پیچش‌گر بر تثبیت شعله با تحلیل ساختار شعله و میدان‌های جریان آشکار می‌شود. باراکات و همکاران[8] در یک مطالعه عددی روی مشعل پیچشی مشاهده کردند افزایش قطر محفظه احتراق باعث بزرگ‌تر شدن نواحی گردشی داخلی و ناحیه گردشی خارجی(ORZ) می‌شود. این افزایش اندازه، موجب کاهش سرعت محوری متوسط و بهبود اختلاط، کارایی احتراق و تثبیت شعله از طریق افزایش زمان ماند مواد واکنش‌دهنده و تشکیل رادیکال‌ها می‌شود. فو و همکاران [9] در یک مطالعه عددی، تأثیر سطوح مختلف محصورسازی شعله را بر الگوهای جریان در پایین‌دست یک پیچشگر بررسی‌کردند. در حالت بدون محصورکردن، منطقه گردشی مرکزی بسیار کوتاه بود و اندازه‌گیری تنها تا ۷۳ میلی‌متر انجام شد، در حالی‌که در موارد محصورشده تا ۲۵۰ میلی‌متر ادامه یافته بود. بورک و همکاران [10] اثر محصور کردن مشعل را بر روی یک شعله منتشرشونده روبه بیرون در یک سیلندر شفاف که سوخت و هوا به‌صورت پیش‌مخلوط محترق می‌شوند، با روش فشار ثابت برای محاسبه سرعت شعله، بررسی کردند. آن‌ها نشان دادند زمانی که نسبت شعاع شعله به شعاع محفظه کمتر از 3/0 باشد، می‌توان محاسبات لازم برای محاسبه سرعت شعله را با خطای کمتر از 3% نسبت به حالت بدون محفظه بیان کرد. چنگ و همکاران[11] که مطالعه آن‌ها برروی یک مشعل دوپیچشی خلاف‌گرد با احتراق پیش‌آمیخته بود، نشان دادند که در مجرای داخلی هر چه عدد پیچش بیشتر شود، برای مخلوط‌های غنی، ناحیه واکنش شدیدتر و روشن تر می‌شود. همچنین ترکیب سوخت رقیق در مجرای داخلی و سوخت غنی در مجرای خارجی باعث به وجود آمدن آلایندگی‌های بیشتری نسبت به احتراق همگن پیش آمیخته روی خط مرکزی خواهد شد. تغییر نسبت تقسیم جریان هوا بین مجرا‌های داخلی و خارجی بر انتشار آلاینده‌ها تأثیر می‌گذارد، به ویژه، چیدمان جریان پیچشی داخلی پایین‌تر و خارجی بالاتر، منجر به نرخ‌های انتشار بالاتر آلاینده‌ها، در حالت نسبت هم ارزی غنی داخلی یا رقیق خارجی می‌شود. مردانی و همکاران [12] تحقیقات خود روی یک محفظه احتراق دوپیچشی مدل توربین گاز برروی محدوده خاموشی رقیق انجام دادند. نتایج نشان داد که در نرخ جریان کم، تغییرات هندسی و پیش‌گرمایش تأثیر کمی بر پایداری شعله دارند و به طور کلی نوع تزریقگر و محفظه نقش چندانی در بهبود پایداری ندارند. اما در نرخ جریان زیاد، استفاده از تزریقگر شیار‌دار توانست محدوده خاموشی شعله را حدود 28% کاهش دهد. همچنین اندازه‌گیری‌های دما و ترکیب گازهای خروجی نشان داد که در محدوده‌ای از شرایط کاری (حدود ۲۵-۵۰% بالاتر از محدوده خاموشی رقیق)، احتراق نسبتاً کامل و دمای مناسب همراه با مقادیر بسیار پایین اکسیدهای نیتروژن کمتر از ppm 10 برقرار می‌شود. افزایش توان مشعل در این محدوده، باعث افزایش دمای متوسط و بازدهی احتراق شده و در عین حال تولید اکسیدهای نیتروژن کاهش‌یافته است. بااین‌حال، پیش‌گرمایش هوای ورودی تا ۱۰۰ درجه سلسیوس، هرچند باعث بهبود پایداری حدود ۱۰ درصد می‌شود، اما تولید اکسیدهای نیتروژن را به بیش از سه برابر افزایش می‌دهد. با وجود این، کمتر مطالعه‌ای به طور مشخص اثر صریح افزودن یک محفظه مجزا بر عملکرد یک مشعل دوپیچشی پرداخته است. به عبارت دیگر، شکاف تحقیقاتی مهمی در نحوه تغییر الگوی جریان‌های چرخان و نواحی بازگشتی در نتیجه‌ی طراحی هندسی جدید وجود دارد. مطالعه حاضر با بهره‌گیری از نتایج تجربی خود نشان خواهد داد که چگونه افزودن یک محفظه‌ی به مشعل دوپیچشی می‌تواند میدان جریان، پارامترهای احتراقی، میزان IRZ/ORZ و نهایتاً پایداری شعله را دستخوش تغییر کند تا خلأ موجود در ادبیات پژوهش پر شود.

روش‌شناسی

در شکل 1 نقشه سیستم‌ها و تجهیزات سامانه مشعل دوپیچشی نشان داده شده است. این تجهیزات شامل، مشعل، محفظه، لوله‌ها، روتامترها، شیرهای فشارشکن، کمپرسور، خشک‌کن هوا و آکومولاتور است که پیش‌تر توسط پژوهشگرهای دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی و ساخته شده است.

 

 

شکل 1- نقشه سامانه‌ها و تجهیزات استفاده شده در مشعل دوپیچشی

Figure 1 – Schematic of the systems and equipment used in the double swirl burner

 

کمپرسور استفاده شده ظرفیت 500 لیتر داشته که توان هر کمپرسور، 5/1 اسب بخار (1/1 کیلووات) است و قابلیت تولید فشار تا 8 بار را دارد. هر کمپرسور مجهز به دو موتور رفت و برگشتی است که توسط یک الکتروموتور 5/5 اسب بخاری به حرکت درآورده می‌شوند. خشک‌کن هوای استفاده شده دارای ظرفیت 40 مترمکعب بر دقیقه و خروجی و ورودی 2 اینچ است. هوا از چهار مجرا وارد مشعل می‌شود که این مجرا به ترتیب عبارتند از 1- هوای محوری داخلی 2- هوای مماسی داخلی 3- هوای محوری خارجی 4- هوای مماسی خارجی. تمام جریان‌های هوا پیش از ورود، جهت تنظیم کنترل از چهار روتامتر مخصوص‌به‌خود که می‌توانند تا 200 لیتر بر دقیقه ( به‌صورت نرمالیزه شده) را نشان دهند عبور می‌کنند. سوخت نیز از روتامتر خاص خود که قادر است تا 100 لیتر بردقیقه را نشان‌دهد، عبور می‌کند. مشعل دوپیچشی استفاده‌شده، توسط مهندسین و پژوهشگرهای آزمایشگاه سیستم‌های انرژی و حرارتی دانشکده هوافضای دانشگاه صنعتی امیرکبیر، ساخته و استفاده شده است. این مشعل دارای 5 ورودی از هر طرف آن است که مطابق شکل 2 نشان داده شده است.

 

 

شکل 2- نمای ایزومتریک مشعل در محیط مدل‌سازی

Figure 2 – Isometric view of the burner in the modeling environment

 

مشخصات سوخت استفاده شده، گاز شهری است که ترکیب اجزای آن در جدول 1 نشان داده شده است.

 

جدول 1- اجزاء سوخت گازی استفاده شده[13]

Table 1 -used Gas fuel composition [13]

Chemical components

Molar fraction

Chemical formula

methane

87.8

 

ethane

4.7

 

nitrogen

4.7

 

propan

1.74

 

butane

0.79

 

 
1] Gupta, A., M. Lewis, and S. Qi, Effect of swirl on combustion characteristics in premixed flames. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1998.
[2] Wang, X., F. Zhu, S. Wang, Z.J.C.S. Wang, and Technology, Confinement Effects on Coaxial Jet Diffusion Flame. Combustion Science and Technology 2023: p. 1-29.
[3] Mater, E.O., K.M. Soliman, A. Abdulnaim, A.A. Emara, A.S. Elsahy, H.A.J.T.i.a.s. Moneib, and technology, Co-firing of LPG and Diesel Fuels through an Innovative Double Swirl Burner: Combustion characteristics and Exhaust Emissions. Trends in Advanced Science and Technology, 2024. 1(1): p. 3.
[4] Cozzi, F., F. Motta, F. Cobianchi, L. Zampini, and A. Francabandiera. Experimental Analysis of a Double Swirl Burner. in 42nd MEETING THE ITALIAN SECTION OF THE COMBUSTION INSTITUTE, PROCEEDINGS. 2019. ASICI-Associazione Sezione Italiana del Combustion Institute.
[5] König, D., M. Richter, J. Ströhle, and B.J.E. Epple, Stability and Flame Structure Analysis of a Semi-Industrial Swirl-Stabilized Oxy-Fuel Combustion Chamber System for Biomass. Energies, 2025. 18(6): p. 1513.
[6] Huang, Y., V.J.P.i.e. Yang, and c. science, Dynamics and stability of lean-premixed swirl-stabilized combustion. 2009. 35(4): p. 293-364.
[7] Ji, L., J. Wang, W. Zhang, R. Mao, G. Hu, Z.J.E.T. Huang, and F. Science, Effect of confinement ratio on flame structure and blow-off characteristics of swirl flames. 2022. 135: p. 110630.
[8] Barakat, S., H. Wang, T. Jin, W. Tao, and G.J.A.A. Wang, Isothermal swirling flow characteristics and pressure drop analysis of a novel double swirl burner. AIP Advances, 2021. 11(3).
[9] Fu, Y., J. Cai, S.-M. Jeng, and H. Mongia. Confinement effects on the swirling flow of a counter-rotating swirl cup. in Turbo Expo: Power for Land, Sea, and Air. 2005.
[10] Burke, M.P., Z. Chen, Y. Ju, F.L.J.C. Dryer, and Flame, Effect of cylindrical confinement on the determination of laminar flame speeds using outwardly propagating flames. Combustion and Flame, 2009. 156(4): p. 771-779.
[11] Chong, C.T., S.S. Lam, and S.J.C.E.T. Hochgreb, Combustion performance of a counter-rotating Double Swirl flame burner under stratified burning condition. Energy & Fuels, 2015. 45: p. 193-198.
[12] Mardani, A., B. Asadi, and A.A.J.P.o.F. Beige, Investigation of flame structure and precessing vortex core instability of a gas turbine model combustor with different swirler configurations. Propulsion and Power, 2022. 34(8).
[13] Fazlollahi, A., Tajik,A., Tabejamaat, S., The effect of swirl intensity on the probability of successful ignition and kernel propagation in the Amirkabir double swirl burner. 2023. 15(4): p. 129-158. [in persian]
[14] Gupta, A., M. Lewis, and S. Qi, Effect of swirl on combustion characteristics in premixed flames. 1998.