سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

بررسی اثر عملگر پلاسمایی در میزان اختلاط در یک مشعل با شرایط احتراق مایلد

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محمدصادق طالبی 1
امیر مردانی 2
1 دانشگاه صنعتی شریف / دانشکده مهندسی هوافضا
2 صنعتی شریف مهندسی هوافضا
10.22034/jfnc.2024.454469.1388
چکیده
در دهه‌ی گذشته، محرک‌های پلاسما به‌عنوان زیرمجموعه­ای در حوزه دستگاه­های کنترل جریان فعال شناخته شده­اند. همان‌طور که تحقیقات در مورد محرک‌های پلاسما به تکامل خود ادامه می‌دهد، مدل‌سازی محاسباتی برای تکمیل تحقیقات محرک‌ها موردنیاز است. در این مطالعه، مدل سوزن-هوانگ[1] به دلیل توانایی آن در شبیه‌سازی چگالی بار و نیروی حجمی لورنتز[2] انتخاب شده است. استفاده از این مدل در زمینه‌های مختلف ازجمله آیرودینامیک تاکنون به کاربردهای فراوانی منجر شده است، اما به علت پیچیدگی شبیه‌سازی اثرات پلاسما، بیشتر به شبیه‌سازی اثرات نیرویی آن پرداخته شده است. در زمینه‌ی احتراق و کاربرد پلاسما در این حالت، بیشتر فعالیت‌ها و بررسی‌ها در کارهای تجربی دیده می‌شود. در این کار براساس مدل سوزن-هوانگ به شبیه‌سازی اثر نیرویی پلاسما از نوع تخلیه سد دی‌الکتریک[3] در محیط احتراقی مایلد و نقش آن در اختلاط بهتر سوخت و اکسنده پرداخته‌ایم. لازم به ذکر است در این مطالعه، احتراق مایلد شبیه‌سازی نشده و تنها اثر پلاسما در یک مشعل از نوع مایلد مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج امیدبخش بوده و حاکی از اثر مثبت پلاسما در اختلاط بهتر سوخت و اکسنده پیش از احتراق است.
 
[1] Suzen-Huang
[2] Lorentz
[3] Dielectric Barrier Discharge (DBD)

تازه های تحقیق

براساس نتایج به دست آمده و با مقایسه با کارهای تجربی صورت گرفته، مدل سوزن و هوانگ قابلیت خوبی در شبیه­سازی فیزیک جریان شامل پلاسما در عملگرهای پلاسمایی دارد، زیرا دارای منابع محاسباتی کمتری در مقایسه با مدل‌های انتقالی بار است. ابن به این دلیل است که در مدل‌های انتقالی بار، مسیرهای ذرات باردار بایستی محاسبه شود. همچنین مدل سوزن-هوانگ برای مطالعات کنترل جریان طراحی شده است و در آن توصیف تحولات چگالی بار الکتریکی به اندازه‌ی محاسبه‌ی سرعت القایی مهم نیست.

در این کار نیز ضمن پیاده‌سازی مدل سوزن-هوانگ و اعتبارسنجی آن، این مدل را در یک مشعل احتراقی از نوع مایلد به کار گرفتیم و اثر نیرویی پلاسما را از طریق آن در میدان جریان مایلد شبیه‌سازی کردیم. مشاهده می‌شود پلاسما عامل مناسبی در افزایش سرعت اختلاط و بهبود فرایند اختلاط از طریق سرعت بخشیدن به ترکیب گونه‌ها است. همچنین سرعت جریان در حالت اعمال پلاسما، حدود 4 متر بر ثانیه افزایش یافت. این شبیه‌سازی در دو حالت ترکیب جریان در راکتور پلاسما با مقدار صفر و سه درصد متان انجام شد تا صحت عملکرد مدل سوزن-هوانگ به‌صورت دقیق مشخص شود. البته با استفاده از مکانیزم شیمیایی دقیق‌تر می‌توان نتایج شفاف‌تری بر ترکیب‌های تولید شده‌ی ناشی از حضور پلاسما به دست آورد.

کلیدواژه‌ها
پلاسما
تخلیه سد دی الکتریک
مدل سوزن-هانگ
اختلاط
احتراق مایلد

موضوعات

عنوان مقاله English

Investigating the effect of the plasma actuator on the degree of mixing in a burner with mild combustion conditions

نویسندگان English

Mohammad Sadegh Talebi 1
Amir Mardani 2
1 Sharif University of Technology / Department of Aerospace Engineering
2 Department of Aerospace Engineering, Sharif University
چکیده English

In the last decade, plasma actuators have been recognized as a subset in the field of active flow control devices. As research on plasma actuators continues to evolve, computational modeling is needed to complement actuators research. In this study, the Suzen-Huang model is chosen because of its ability to simulate the charge density and Lorentz volume force. The use of this model in various fields, including aerodynamics, has led to many applications, but due to the complexity of simulating the effects of plasma, it is mostly focused on the simulation of its force effects. In the field of combustion and the use of plasma in this state, most of the activities and investigations are seen in experimental works. In this work, based on the Susen-Hong model, it is tried to simulate the plasma force effect of the dielectric barrier discharge type in the combustion environment and its role in better mixing of fuel and oxidant. It should be noted that in this study, the mild combustion was not simulated and only the effect of plasma in a mild burner was investigated. The results are promising and indicate the positive effect of plasma in better mixing of fuel and oxidizer before combustion.
.

کلیدواژه‌ها English

Plasma
Dielectric barrier discharge
Suzen-Huang model
Mixing
Mild combustion
[1] J. R. Roth, "Electrohydrodynamically induced airflow in a one atmosphere uniform glow discharge surface plasma," 25th Anniversary, IEEE Conference Record - Abstracts. 1998 IEEE International Conference on Plasma Science (Cat. No.98CH36221), Raleigh, NC, USA, 1998, pp. 291.
[2] Roth, J.R. “Electrohydrodynamic (EHD) flow control”, Industrial Plasma Engineering Volume 2: Applications to Non-thermal Plasma Processing, Institute of Physics Publishing, London, pp. 225-237, 2001.
[3] D. M. Orlov and T. C. Corke, “Numerical simulation of aerodynamic plasma actuator effects,” in Proc. 43rd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 2005, paper AIAA 2005-1083
[4] D. M. Orlov, “Modelling and simulation of single dielectric barrier discharge plasma actuators,” Ph.D. dissertation, Dept. Aerospace and Mechanical Engineering, University of Notre Dame, Notre Dame, IN, USA, 2006.
[5] T. C. Corke, M. L. Post, and D. M. Orlov, “Single dielectric barrier discharge plasma enhanced aerodynamics: concepts, optimization and applications,” Journal of Propulsion and Power, vol. 24, no. 5, pp. 935-945, 2008.
[6] T. C. Corke, M. L. Post, and D. M. Orlov, “Single dielectric barrier discharge plasma enhanced aerodynamics: physics, modeling and applications,” Experimental Fluids, no. 46, pp. 1-26, 2009.
[7] T. C. Corke, C. L. Enloe, and S. P. Wilkinson, "Dielectric barrier discharge plasma actuators for flow control," Annu. Rev. Fluid Mech., vol. 42, pp. 505–529, 2010.
[8] F. Massines, A. Rabehi, P. Decomps, R. B. Gadri, P. Seıgür, and C. Mayoux, "Experimental and theoretical study of a glow discharge at atmospheric pressure controlled by dielectric barrier," J. Appl. Phys., vol. 83, no. 6, pp. 2950–2957, 1998.
[9] J. P. Boeuf and L. C. Pitchford, "Electrohydrodynamic force and aerodynamic flow acceleration in surface dielectric barrier discharge," J. Appl. Phys., vol. 97, no. 10, pp. 1–10, 2005.
[10] J. -B. Rouffet, "Plasma actuator influence on air flow," presented at the COMSOL Conference 2008, COMSOL, Hannover, 2008.
[11] C. L. Enloe, T. E. McLaughlin, R. D. Vandyken, and J. C. Fischer, "Plasma structure in the aerodynamic plasma actuator," AIAA Paper 2004-0844, 2004.
[12] Y. B. Suzen, P. G. Huang, J. D. Jacob, and D. E. Ashpis, "Numerical simulations of plasma-based flow control applications," AIAA Paper 2005-4633, 2005.
[13] Y. B. Suzen, P. G. Huang, and D. E. Ashpis, "Numerical simulations of flow separation control in low-pressure turbines using plasma actuators," AIAA Paper 2007-937, 2007.
[14] Y. B. Suzen and P. G. Huang, "Simulations of flow separation control using plasma actuators," AIAA Paper 2006-877, 2006.
[15] D. A. Reasor Jr., R. P. LeBeau Jr., and Y. B. Suzen, "Unstructured grid simulations of plasma actuator models," presented at the 37th AIAA Fluid Dynamics Conference, AIAA Paper 2007-3973, Miami, FL, 2007.
[16] R. D. Blandford and K. Thorne, Applications of Classical Physics, Caltech, Pasadena, CA, p. 980, 2004.
[17] A. Santhanakrishnan, D. A. Reasor Jr., and R. P. LeBeau Jr., "Characterization of linear plasma synthetic jet actuators in an initially quiescent medium," Physics of Fluids, vol. 21, no. 4, 2009.
[18] J. D. Jacob, K. Ramakumar, R. Anthony, and R. B. Rivir, "Control of laminar and turbulent shear flows using plasma actuators," in Proceedings of the Fourth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena, 2005.
[19] T. Wada, J. K. Lefkowitz, and Y. Ju, "Plasma Assisted MILD Combustion," AIAA Paper 2015-0666, presented at the AIAA Session: Advanced Combustion Concepts II, 2015.