تحلیل صدای حاصل از احتراق با تغییر سرعت ورودی محفظه در شعله پیش‌مخلوط مغشوش رقیق

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

دانشگاه صنعتی همدان

10.22034/jfnc.2023.405478.1353

چکیده

از مهم‌ترین مشکلاتی که در سه دهه اخیر در توربین‌های گازی مشاهده شده، ناپایداری احتراق به علت رقیق‌سازی مخلوط سوخت و هوا است. ناپایداری احتراق در نتیجه تأثیر متقابل بین فرآیند احتراق و فرآیندهای دینامیکی جریان در محفظه پدید می‌آید. عوامل متعددی در ایجاد ناپایداری احتراق مؤثرند، از جمله عوامل که امروزه به عنوان چالشی اساسی در این زمینه مطرح است، امواج آنتروپی هستند. امواج آنتروپی به‌عنوان نواحی داغ در حال حرکت با اینرسی جریان شناخته می‌شوند. هدف مطالعه حاضر، بررسی اثر جریان آشفته و انتقال حرارت بر امواج آنتروپی با تغییر سرعت ورودی جریان و شرایط مرزی گرمایی دیواره‌های محفظه احتراق به‌وسیله شبیه‌سازی عددی است. از نرم‌افزار کدباز OpenFOAM برای شبیه‌سازی عددی استفاده می‌شود. برای تحریک آکوستیکی جریان، سرعت ورودی به صورت سرعت نوسانی با دامنه‌ها و فرکانس‌های مختلف اعمال خواهد شد. با توجه به اهمیت شبیه‌سازی دقیق جریان‌های آشفته احتراقی در حضور تحریکات آکوستیکی بدلیل اثر آکوستیک بر ساختارهای آشفتگی، در مطالعه حاضر از LES استفاده می‌شود. هم‌چنین به‌منظور درنظر گرفتن اثرات تراکم‌پذیری در احتراق، مدل تراکم‌پذیر احتراقی فلیملت ولر برای شبیه‌سازی جریان احتراقی مورد استفاده قرار می‌گیرد. نتایج حاصل از شبیه‌سازی نشان می‌دهد بیشترین مقدار اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی در فرکانس تحریک رخ می‌دهد. فرکانس تحریک، فرکانس تعیین‌کننده سیستم است و انرژی عمده سیستم در آن حضور دارد و تحت بیشترین اثرات هیدرودینامیکی قرار می‌گیرد. با افزایش فرکانس تحریک، درصد اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی افزایش یافت، ازاین‌رو، احتمال حضور این امواج در فرکانس‌های کوچک‌تر بیشتر است. با افزایش فاصله از بالادست جریان، اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی افزایش یافت. مشاهده شد با افزایش سرعت ورودی از میزان اضمحلال و پراکندگی موج آنتروپی کاسته و بر اندازه موج آکوستیکی بازتاب شده و صدای آنتروپی افزوده خواهد شد. نتایج نشان داد زمانی‌که شرط مرزی دیواره از آدیاباتیک به انتقال حرارت همرفتی تغییر پیدا می‌کند، اثرات انتقال حرارت همرفتی بر دیواره‌ها موجب تخریب بیشتر موج در محفظه می‌شود.     
 

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Analysis of combustion noise by changing inlet velocity in lean turbulent premixed flame

نویسنده [English]

  • Najmeh Hajialigol
University
چکیده [English]

Undesirable effects of entropy wave, such as higher levels of NOx emission, combustion instability and generated noise, have been well known. However, the thermal and hydrodynamic conditions of the combustor can largely modify the extent of unfavorable influences by subsiding the strength of the generated hot spots. In this study, therefore, hot spot annihilation in a lean-premixed Ethylene combustor is numerically studied using the flamelet model and large eddy simulation. The effects of various thermal and hydrodynamic conditions, such as inlet inlet velocity on entropy waves in both thermally convective and adiabatic combustor, are investigated. The resultant acoustic noise, potentially generated by the entropy waves, is also compared among studied cases, which demonstrates the necessity of embedding the thermo-hydrodynamic effects on the entropy waves in low-order models of combustion instability prediction. The results show that increase in inlet velocity improves combustion efficiency, it aids entropy waves survival and may cause subsequent instability or higher emission production. The results of this study can be beneficial to operate a lean-premixed combustor precisely in conditions far from generation of noise, emission or instability

کلیدواژه‌ها [English]

  • Combustion noise
  • Combustion instability
  • Entropy wave
  • Dissipation and dispersion
  • Flame response
[1] L. Crocco and S. Cheng, "Theory of Combustion Instability in Liquid Propellant Rocket Motors, Butterworths Scientific Publications", London, 1956.
[2] W. C. Strahle, "On combustion generated noise", J. of FluidMech., vol. 49, pp 399–414, 1971.
[3] H. A. Hassan, "Scaling of combustion generated noise", J. of Fluid Mech., vol 66, pp 445–453, 1974.
[4] A. P. Dowling and Y. Mahmoudi, "Combustion noise", Proc. of the Comb. Inst., vol 44 pp 543-564, 2014.
[5] B. T. Chu and L. S. G. Kovasznay, "Non-linear interactions in a viscous heat-conductingcompressible gas", J. of FluidMech., vol 3, pp 494–514, 1958.
[6] F. E. Marble and S. M. Candel, "Acoustic disturbance from gas non-uniformities convectedthrough a nozzle", J. of Sound and Vib., vol 55, pp 225–243, 1977.
[7] N. Kings and F. Bake, "Indirect combustion noise: noise generation by accelerated vorticityin a nozzle flow", Int. J. of Comb. & Spray Dynamics, vol 2, pp 253–266, 2010.
[8] A. Hield, M. J. Brear, H. S. Jin, "Thermoacoustic limit cycles in a premixed laboratory combustor with open and choked exits", Combustion and Flame, vol 156, pp 1683-1697, 2009.
[9] J. Eckstein, E. Freitag, C. Hirsch, T. Sattelmayer, "Experimental study on the role of entropy waves in low-frequency oscillations in a RQL combustor", Journal of engineering for gas turbines and power., vol 128 (2), pp 264-270, 2006.
[10] T. Sattelmayer, "Influence of the combustor aerodynamics on combustion instabilities from equivalence ratio fluctuations", Journal of Engineering Gas Turbines Power., vol 125, pp 11-20, 2003.
[11] A. S. Morgans, C. S. Goh, J. A. Dahan, "The dissipation and shear dispersion of entropy waves in combustor thermoacoustics", Journal of Fluid Mechanics., vol 733, pp 1-11, 2013.
[12] E. Motheau, F. Nicoud, T. Poinsot, "Mixed acoustic-entropy combustion instabilities in gas turbines", Journal of Fluid Mechanics., vol 749, pp 542-576, 2014.
[13] N. Kings and F. Bake, "Indirect combustion noise: noise generation by accelerated vorticityin a nozzle flow", Int. J. of Comb. & Spray Dynamics., vol 2, pp 253–266, 2010.
[14] F. Bake, N. Kings, I. Rohle, "Fundamental Mechanism of Entropy Noise in Aero-Engines: Experimental Investigation", Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol 130 (1), pp 202-206, 2008.
[15] F. Bake, C. Richter, B. Muhlbauer, N. Kings, I. Rohle, F. Thiele, B. Noll, "The Entropy Wave Generator (EWG): A Reference Case on Entropy Noise", Journal of Sound and Vibration, vol 326 (3), pp 574-598, 2009.
[16] J. M. Lourier, A. Huber, B. Noll, M. Aigner, "Numerical Analysis of Indirect Combustion Noise Generation within a Subsonic Nozzle", AIAA Journal, vol 52(10), pp 2114-2125, 2014.
 [17] M. Leyko, I. Duran, S. Moreau, F. Nicoud, T. Poinsot, "Simulation and modelling of the waves transmission and generation in a stator blade row in a combustion- noise frame work", Journal of Sound and Vibration, vol 333 (23), pp 6090-6106, 2014.
[18] M. Bauerheim, I. Duran, "Transmission and reflection of acoustic and entropy waves through a stator–rotor stage", Journal of Sound and Vibration, vol 374, pp 260-278, 2016.
[19] A. P. Dowling, and S. Hubbard, "Instability in lean premixed combustors, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part A": Journal of Power and Energy., vol 214 (4), pp 317-332, 2000.
[20] M. Huet, and A. Giauque, "A nonlinear model for indirect combustion noise through a compact nozzle", Journal of Fluid Mechanics., vol 733, pp 268-301, 2013.
[21] N. Karimi, M. Brear, W. Moase, "Acoustic and disturbance energy analysis of a flow with heat communication", Journal of Fluid Mechanics., vol 597, pp 67-89, 2008.
[22] N. Karimi, M. Brear, W. Moase, "On the interaction of sound with steady heat communicating flows", Journal of Sound and Vibration., vol 329 (22), pp 4705-4718, 2010.
[23] S. Goh, A. S. Morgans, "Phase prediction of the response of choked nozzles to entropy and acoustic disturbances", Journal of Sound and Vibration, vol 330, pp 5184-5198, 2011.
[24] E. Motheau, L. Selle, F. Nicoud, "Accounting for convective effects in zero-Mach-number thermoacoustic models", Journal of Sound and Vibration, vol 333, pp 246-262, 2014.
[25] J. Eckstein, T. Sattelmayer, "Low-Order Modeling of Low-Frequency Combustion Instabilities in Aeroengines", Journal of Propulsion Power., vol 22 (2), pp 425-432, 2006.
[26] R. Balachandran, B. O. Ayoola, C. F. Kaminski, A. P. Dowling and E. Mastorakos, "Experimental Investigation of the Non-Linear Response of Turbulent Premixed Flames to Imposed Inlet Velocity Oscillations", Combust. Flame., vol 143, pp 37-55, 2005
[27] T. Poinsot and D. Veynante, "Theoretical and Numerical Combustion", Second Edition, R. T. Edwards, Inc., Philadelphia, USA, 2005
[28] Yoshizawa and K. Horiuti, "A Statistically-Derived Subgrid-Scale Kinetic Energy Model for the Large-EddySimulation of Turbulent Flows", Journal of the Physical Society of Japan, vol 54, pp 2834-2839, 1985,
[29] S. R. Gubba, S. S. Ibrahim, W. Malalasekera and A. R. Masri, "An Assessment of Large Eddy Simulations of Premixed Flames Propagating Past Repeated Obstacles", Combustion Theory and Modelling, vol 13, pp 513-540, 2009.
[30] H. G. Weller, G. Tabor, A. D. Gosman and C. Fureby, "Application of a Flame-Wrinkling LES Combustion Model to a Turbulent Mixing Layer", Proceedings of the Combustion Institute, vol 27, pp 899-907, 1998.
[31] O. L. Gulder, "Turbulent Premixed Flame Propagation Models for Different Combustion Regimes", Proceedings of the Combustion Institute, vol 23, pp 743-750, 1990,
[32] S. B. Pope, "Turbulent Flows", Cambridge University Press, Cambridge, 2000.
[33] G.B. Whitham, "Linear and nonlinear waves", vol. 42, John Wiley & Sons, 2011.
[34] M. Muthukrishnan, W. C. Strahle, J. C. Handley, "Effect of Conical Flameholders on Combustion-Generated Noise", AIAA Journal., vol 14 (8), pp 995-996, 1976.