بررسی تاثیر زاویه همگرایی-واگرایی بر مشخصه‌های احتراقی مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن - هوا در یک میکرولوله همگرا – واگرا

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجو، رشته مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز

2 استادیار، گروه حرارت و سیالات، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز

3 دانشگاه شهید چمران اهواز، دانشکده مهندسی، گروه مهندسی نفت، گاز و پتروشیمی

چکیده

در مطالعه حاضر، مشخصه‌های احتراقی مخلوط پیش‌آمیخته هیدروژن-هوا در میکرولوله‌های همگرا-واگرا، با استفاده از شبیه‌سازی عددی فرایند احتراق، بررسی شده است. هدف این پژوهش بررسی تاثیر سرعت جریان ورودی و زاویه همگرایی-واگرایی بر مشخصه‌های احتراقی شامل بیشینه دمای شعله، موقعیت شعله، حدشعله‌وری بالا و ضخامت شعله در قطر در محدوده قطر خاموشی شعله است. معادلات حاکم به‌صورت سه‌بعدی و گذرا درنظر گرفته شده‌اند و از مکانیزم شیمیایی جزئی واکنش هیدروژن و هوا استفاده شد. نتایج نشان دادند که سرعت جریان ورودی بر موقعیت شعله درون میکرولوله تاثیر می‌گذارد و بیشینه دمای شعله متاثر از موقعیت قرارگیری شعله درون میکرولوله تغییر می‌کند. کمترین دمای شعله در یک نسبت هم‌ارزی مشخص زمانی ایجاد می‌شود که شعله در قسمت گلوگاه قرار گرفته باشد. مشخص شد که سرعت جریان ورودی و قسمت گلوگاه تاثیر مستقیمی بر ضخامت و کشیدگی شعله دارند. افزایش ضخامت و کشیدگی شعله در سرعت‌های زیاد، برای میکرولوله‌های با قطر گلوگاه کم، موجب بیرون زدن قسمتی از ناحیه احتراق از میکرولوله و درنهایت خارج­ شدن از حد شعله‌وری بالا می‌شود. از مقایسه نتایج با یک میکرولوله با مقطع ثابت و ابعاد مشابه مشخص شد که ایجاد ناحیه گلوگاه در میکرولوله‌ها موجب افزایش حد شعله‌وری بالا در آن‌ها می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical study of premixed hydrogen/air combustion characteristics in a converging - diverging micro tube

نویسندگان [English]

  • Pouyan Abbaspour 1
  • Alireza Alipoor 2
  • Yousef Tamsilian 3
1 Student, Department of Mechanical Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz
2 Shiraz University
3 Department of Oil, Gas & Petrochemical Eng., Faculty of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz
چکیده [English]


 
In the present study, combustion characteristics of premixed hydrogen-air mixture in converging - diverging microtubes were investigated using numerical simulation of combustion process. The purpose is investigation of the effect of inlet velocity and converging-diverging angle on the combustion characteristics consist of maximum flame temperature, flame position, upper flammability limit and flame thickness. Governing equations were considered as three dimensional and transient with detailed chemistry mechanisms. Results showed that inlet velocity affect flame position in the microtube and maximum flame temperature related on the flame position will change. Minimum flame temperature in a specific equivalence ratio were occurred when the flame placed in the converging-diverging section. Inlet velocity and throat section have a direct effect on the flame thickness. Increasing the flame thickness at high inlet velocities for microtubes with low throat diameter causes to blow out a part of the flame. Compared to a microtube with the same dimensions, it was found that making a throat zone in the microtubes causes to increase the upper flammability limit.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Converging Diverging Micro tube
  • Upper Flammability Limit
  • Flame Thickness

مراجع

  1. D. G. Norton and D. G. Vlachos, “Combustion characteristics and flame stability at the microscale: a CFD study of premixed methane/air mixtures,” Chemical Engineering Science, 58, 2003, pp. 4871-4882.
  2. D.G. Norton and D.G. Vlachos, “a CFD study of propane/air micro flame stability,” Combustion and Flame, 38, 2004, pp. 97-107.
  3. J. Li, S. K. Chou, Z. W. Li and W. M. Yang, “A comparative study of H2-air premixed flame in micro combustors with different physical and boundary conditions,” Combustion Theory and Modeling, 12, 2008, pp. 325-347.
  4. J. Li, S. K. Chou, W. M. Yang and Z. W. Li, “A numerical study on premixed micro-combustion of CH4-air mixture: Effects of combustor size, geometry and boundary conditions on flame temperature,” Chemical Engineering Journal, 150, 2009, pp. 213-222.
  5. J. Zarvandi, S. Tabejammat and M. R. Baig Mohammadi, “Numerical simulation of the effective parameters on the stability of stoichiometric C /air premixed combustion in a micro – combustion chamber,” Fuel and Combustion, 3, No. 2, 2010, pp. 31- 45. (In Persian)
  6. G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides and K. Boulouchos, “Dynamics of premixed hydrogen/air flames in microchannels,” Combustion and Flame, 152, 2008, pp. 433-450.
  7. G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides and K. Boulouchos, “Dynamics of premixed hydrogen/air flames in mesoscale channels,” Combustion and Flame, 155, 2008, pp. 2-20.
  8. G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides and K. Boulouchos, “Three-dimensional simulations of premixed hydrogen/air flames in microtubes,” J. Fluid Mech, 658, 2010, pp. 463-491.
  9. A. Alipoor, K. Mazaheri and A. Shamoonipour, “Dynamics of lean hydrogen/air flame regimes in micro scale combustion,” Modares Mechanical Engineering, 14, No. 3, 2014, pp. 94 – 102. (In Persian)
  10. A. Alipoor and K. Mazaheri,” Numerical study of the inlet velocity effect on characteristics of repetitive extinction – ignition dynamics for lean premixed hydrogen – air combustion in a heated micro channel,” Fuel and Combustion, 8, No. 2, 2015, pp. 33 – 54. (In Persian)
  11. A. Alipoor and K. Mazaheri, “Bifurcation of propagating Flame in repetitive extinction – ignition phenomenon in premixed Hydrogen – air combustion in a heated micro channel,” J. Mechanical Engineering University of Tabriz, 46, No. 2, 2016, pp. 73 – 85. (In Persian)
  12. A. Tang, Y. Xu, C. Shan, J. Pan and Y. Liu, “A comparative study on combustion characteristics of methane, propane and hydrogen fuels in a micro-combustor,” International J. Hydrogen Energy, 40, 2015, pp. 16587-16596.
  13. W. M. Yang, S. K. Chou, C. Shu, Z. W. Li and H. Xue, “Combustion in a micro-cylindrical combustor with and without a backward facing step,” Applied Thermal Engineering, 22, 2002, pp. 1777-1787.
  14. J. Li, S. K. Chou, G. Huang, W. M. Yang and Z. W. Li, “Study on premixed combustion in cylindrical micro combustors: Transient flame behavior and wall heat flux,” Experimental Thermal and Fluid Science, 33, 2009, pp. 764-773.
  15. H. Faramarzpour, K. Mazaheri and A. Alipoor, “The Numerical Investigation of Physical and Geometrical Conditions of Combustor and Mixture on Flame Stability in Micro Burner and Their Effects on Radiation Efficiency,” Fuel and Combustion, 9, 2016, pp. 59-74. (In Persian)
  16. MH. Saberi Moghadam, K. Mazaheri and A. Alipoor,” Numerical study of bluff body effect on lean premixed hydrogen/air combustion in a micro – scale combustor,” Modares Mechanical Engineering, 14, No. 13, 2015, pp. 86-94. (In Persian)
  17. A. Alipoor and MH. Saidi,” Improvement of combustion characteristics for hydrogen – air mixture using modular structure in a novel micro combustor,” Fuel and Combustion, 12, No. 4, 2019, pp. 1–13. (In Persian)
  18. M. Akram and S. Kumar, “Experimental studies on dynamics of methane-air premixed flame in meso-scale diverging channels,” Combustion and Flame, 158, 2011, pp. 915-924.
  19. H. R. Askarifard Jahromi and S. Hossainpour, “Numerical study of propane-air combustion stability in a diverging micro channel,” Fuel and Combustion, 7, 2014, pp. 17-30. (In Persian)
  20. B. Khandelwal and S. Kumar, “Experimental investigations on flame stabilization behavior in a diverging micro channel with premixed methane – air mixtures,” Applied Thermal Engineering, 30, 2010, pp. 2718-2723.   
  21. W. Yang, C. Deng, J. Zhou, J. Liu, Y. Wang and K. Cen, “Experimental and numerical investigations of hydrogen-air premixed combustion in a converging-diverging micro tube,” International Journal of Hydrogen Energy, 39, 2014, pp. 3469-3476.
  22. S. Biswas, P. Zhang, H. Wang and L. Qiao, “Propagation and extinction behavior of methane/air premixed flames through straight and converging-diverging microchannels,” Applied Thermal Engineering, 148, 2019, pp. 1395-1406.
  23. S. R. Turns and S. J. Mantel, An Introduction to Combustion, Second Edition, New York, McGraw Hill, 2000.
  24. R. A. Yetter, F. L. Dryer and H. Rabitz, “A comprehensive reaction mechanism for carbon monoxide/hydrogen/oxygen kinetics,” Combustion Science and Technology, 79, 1991, pp. 97-128.
  25.  [Online], <https://www.tue.nl/combustion/home.php>, [April 2012].
  26. [Online], <http://combustion.berkeley.edu/gri_mech/data/nasa_plnm.html>, [13 May 2019].
  27. T. Poinsot and D. Veynante, Theoretical and Numerical Combustion, Second Edition, Philadelphia, Edwards, 2005.

                       

 

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 10 اسفند 1398
  • تاریخ بازنگری: 12 اردیبهشت 1399
  • تاریخ پذیرش: 14 اردیبهشت 1399

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار