نوع مقاله : مقاله پژوهشی
تازه های تحقیق
در این پژوهش یک کد پاسخ سریع مورد بررسی قرار گرفت. در ابتدا هندسه محفظه احتراق به کد داده شد و پس از تنظیم شرایط ورودی، توزیع جرمی هوا برای هر بخش مشخص گشت. در بخش آیرودینامیک موارد زیر استنتاج شدند:
· نتایج از توزیع جرمی هوا با مرجع نشان داد که خطای حل در کمینه حالت خود صفر درصد و در بیشینه حالت از ۱۱ درصد بیشتر نخواهد بود. این خطای ایجادشده برای بخش چرخاننده است که به علت پیچیدگیهای جریان در این قطعه، بیشترین خطا را نشان میدهد.
در بخش احتراق نیز نتایج زیر مورد بحث قرار گرفتند:
· با درنظرگرفتن زمان شبیهسازی متفاوت و بررسی آن مشخص شد که با شبیهسازی ۱۵ برابر زمان ماند، نتایج قابلقبولی استخراج میشود؛ بهطوریکه بیشینه خطا بهدستآمده برای دما، در نقطه خروجی محفظه بوده که آن هم از ۱۰ درصد تجاوز نمینماید و همچنین میزان میانگین خطا در این حالت برای تمامی نقاط داخل محفظه احتراق نسبت به دادههای آزمایشگاهی مرجع در حدود 5/6 درصد گزارش میشود. از آنجاییکه برخی واکنشها نیازمند زمان بیشتری برای تکمیل فرایند هستند، افرایش زمان شبیهسازی منجر به حل پایاتری میشود که در نتیجه آن صحت نتایج در حالت 15 برابر زمانماند بهتر از سایر حالات است.
· پس از آن، حساسیتسنجی بر روی مشخصههای کنترلی صورت گرفت که نشان داد افزایش تعداد رآکتورها تأثیری در دقت نداشته، اما زمان اجرای کد را افزایش میدهد. همچنین کوچکشدن فضای هر رآکتور باعث میشود تا شعله خاموش شود. باتوجه به ثابتبودن نرخ جرمی ورودی به هر رآکتور، به علت کوچک بودن حجم، سرعت ورود و خروج محصولات احتراق به صورتی که است که فرایندهای احتراق بهدرستی شبیهسازی نشده و شعله خاموش میشود.
· تأثیر دمای اولیه به صورتی است که با تخمین دمای پایینتر از ۱۵۰۰ کلوین، عملا واکنشهای احتراقی صورت نمیگیرد، زیرا شروع فرایند احتراق در برنامه Cantera با رسیدن به دمای خود اشتعالی است، اما با افزایش دما از ۱۵۰۰ به ۲۳۰۰ کلوین، فرایند احتراق انجام میشود، اما نتایج محسوسی در دقت مشاهده نمیشود؛ زیرا پس از پایا شدن شرایط حل، نتایج مشابه خواهند شد. همچنین این تغییر بر زمان اجرای کد نیز بیتأثیر است.
· در مورد گام زمانی نیز، افزایش گام زمانی در این شبیهسازی بر دقت حل تأثیری ندارد. درحالیکه زمان اجرای کد را بهشدت بالا میبرد. از آنجایی که مسئله به حالت پایا رسیده و همچنین پیچیدگیهای محاسباتی رآکتور کاملاً آمیخته کم است در نتیجه افزایش گام زمانی صرفاً باعث افزایش زمان اجرای کد میشود بدون اینکه بر دقت حل مؤثر باشد.
عنوان مقاله English
نویسندگان English
The gas turbine combustion chamber, as one of the key components, has been extensively studied. The temperature distribution in the combustion chamber is of great importance because it can not only lead to changes in the composition of exhaust gases but also cause significant damage to the chamber walls or turbine blades. Among the methods for investigating combustion chambers, analytical methods, with appropriate accuracy and high simplicity and computational speed, can provide an effective assessment of combustion chamber performance. In this research, the distribution of inlet air to a laboratory-scale cylindrical combustion chamber was initially investigated and validated using a one-dimensional code developed in the MATLAB environment. Subsequently, combustion and temperature distributions along the chamber were simulated and validated using the CANTERA software through a Chemical Reactor Network (CRN). Following this, the sensitivity of control parameters such as the number of reactors, the initial reactor temperature, and the number of time steps in the chamber was investigated. The results showed that increasing the number of reactors up to 50, although providing a more detailed temperature distribution along the combustion chamber, did not improve solution accuracy and even led to computational errors due to an excessive reduction in reactor size. Varying the initial temperature up to 2300 K had no noticeable effect on solution accuracy. In addition, a 50 fold increase in the number of time steps from 100 to 5000 showed no improvement in solution accuracy but resulted in an approximately twofold increase in computational time.
کلیدواژهها English
محفظههای احتراق توربینی، بهعنوان قلب اصلی سامانههای تولید توان و پیشرانش، نقش تعیینکنندهای در بازده، پایداری احتراق و انتشار آلایندهها دارند. در این ساختار پیچیده، الگوی جریان هوا، اختلاط سوخت و واکنشهای شیمیایی بهطور درهمتنیده بر رفتار احتراقی و دمای خروجی تأثیر میگذارند؛ ازاینرو تحلیل دقیق آن برای درک پدیدههای ترموفیزیکی ضروری است. مطالعات محفظههای احتراق به سه دسته تجربی، عددی (CFD) و تحلیلی تقسیم میشوند. روش تجربی، هرچند دارای اعتبار بالا در اندازهگیری پارامترهای واقعی است، اما هزینه و زمان زیادی میطلبد. مدلهای عددی که معمولا بهصورت دینامیک سیالات محاسباتی به کار گرفته میشود، باوجود دقت بالا در شبیهسازی سهبعدی، هزینه محاسباتی بالایی داشته و در مطالعات پارامتری وسیع کارایی کمتری دارند. همچنین به دلیل آشفتگی بالا و رژیمهای احتراقی مختلف شبیهسازی احتراق در محفظه احتراق پیچیده است {Azimi, 2017 #111}. در مقابل، مدلهای تحلیلی برای طراحی مقدماتی و تحلیل حساسیت احتراقی مناسب هستند زیر به کمک این روش میتوان دهها پیکربندی را در زمانی کوتاه و با هزینهی ناچیز بررسی کرد.
روش تحلیلی بر حل روابط پایهی جریان واکنشی، انتقال حرارت و جرم استوار است و با فرضیات سادهکننده و مدلهای شعله پیشآمیخته یا غیرپیشآمیخته، رآکتورهای کاملاً آمیخته یا پیستونی، و فرمولبندیهای تجربی–تحلیلی برای پیشبینی سرعت شعله [2] و دمای آدیاباتیک شعله [3] بهکار میرود. بخش مهمی از مدلهای تحلیلی بر معادلات و روابطی تکیه دارند که اساساً از همبستگیهای تجربی بهدست آمدهاند. به همین منظور روابطی برای پیشبینی آلایندهها مانند NOx [4] یا CO [5] یا شرایط خروجی محفظه نظیر الگوی جریان [5] جهت ارزیابی یکنواختی میدان دمای خروجی استخراج شده است. این رویکرد امکان پاسخ سریع به تغییرات طراحی یا شرایط عملکردی را فراهم میکند، هرچند در پیشبینی پدیدههای سهبعدی محدود بوده و نیازمند اعتبارسنجی عددی یا تجربی است. یکی از کاربردهای مهم این روش، تحلیل توزیع جریان هوا در محفظه احتراق با کدهای یکبعدی است.
مدلسازی شبکه جریان هوا، روشی عددی و مفهومی برای شبیهسازی توزیع جریان در سامانههای پیچیده است که در آن مسیرهای جریان، اتصالات و موانع بهصورت شبکهای از گرهها و المانها نمایش داده میشوند [6]. در این مدل، گرهها نقاطی هستند که ویژگیهایی نظیر فشار، دما و ترکیب جرمی در آنها محاسبه میشود، و المانها — شامل کانالها، سوراخها و تجهیزات جریان — مسیرهای عبور یا موانعی هستند که اتصال میان گرهها را برقرار میکنند [7]. شکل 1 نمونهای از این شبیهسازی را نشان میدهد.
Figure 1- Air Flow Network Method
در تحلیل محفظهی احتراق توربین گازی، سوراخهای اولیه، ثانویه و رقیقسازی بهعنوان المانهای گذرگاه در نظر گرفته میشوند که با ضرایب دبی یا افت فشار مدلسازی میشوند [8]. مجراهای ورودی و خروجی، حلقهها و نواحی با سطح مقطع متغیر نیز بهصورت المانهای مجرایی تعریف میشوند [9]. هر نوع المان، بسته به ماهیت فیزیکی خود، دارای روابط تجربی و دادههای هندسی ویژه است. حل شبکه جریان هوا بر پایهی معادلات بقای جرم، تکانه و انرژی انجام میشود [6]. معادلهی پیوستگی در تمام گرهها اعمال میشود تا مجموع جریانهای ورودی و خروجی در هر نقطه برابر باشد، در حالیکه معادلهی تکانه در المانها ارتباط میان افت فشار و دبی جرمی را تعیین میکند [8]. از مهمترین مزایای این روش، سرعت بالای محاسبات نسبت به شبیهسازی سهبعدی CFD است [9]، که امکان تحلیل سریع رفتار توزیع جریان هوا، بررسی اثر طراحی سوراخها و ارزیابی تغییرات شرایط مرزی را فراهم میسازد.
استفاده از این روشها همچنان مورد توجه است. کنکاشور و همکاران از این روش برای تحلیل یک محفظه احتراق حلقوی [10] و یک محفظه احتراق استوانه ای [11] استفاده کردند. احمدی و همکاران نیز به کمک این روش به بررسی توزیع هوا در یک محفظه احتراق حلقوی پرداختند [12].
روش شبکه رآکتورهای شیمیایی یکی از رویکردهای معتبر و در عینحال کمهزینهتر نسبت به شبیهسازی کامل دینامیک سیالات محاسباتی برای مدلسازی فرآیندهای احتراق در محفظههای احتراق توربین گازی است. ایده اصلی این روش بر تبدیل هندسه پیچیده محفظه به مجموعهای از رآکتورهای شیمیایی بنا شده است؛ به گونهای که هر ناحیه از محفظه – با فرض تغییرات ناچیز خواص فیزیکی و شیمیایی – با یک رآکتور کاملا آمیخته، رآکتور جریان پیستونی و یا ترکیبی از آنها مدلسازی شود. انتخاب نوع رآکتور و چگونگی اتصال آنها به یکدیگر بر اساس ساختار میدان جریان واقعی و یا نتایج تحلیل صورت میگیرد [13]. شکل 2 نمونهای از شبکه رآکتورهای شیمایی را نشان میدهد.
Figure 2- An example of a chemical reactor network
شکل 2- نمونه ای از شبکه رآکتورهای شیمایی
در کاربردهای محفظه احتراق، شبکه رآکتورهای شیمایی این امکان را فراهم میکند که نواحی عملکردی کلیدی نظیر ناحیه اولیه (با نسبت همارزی بالا و واکنش سریع)، ناحیه میانی (برای تکمیل سوختن و کاهش آلایندهها) و ناحیه رقیقسازی (برای یکنواختسازی دما و کاهش آلایندهها در خروجی) بهصورت مجزا و در عین حال پیوسته شبیهسازی شوند. این ساختار اجازه میدهد اثر مشخصههایی چون نسبت همارزی محلی، زمان ماند، کارایی احتراق در ناحیه اولیه و میزان اختلاط بر تشکیل و انتشار آلایندهها مانند NOx، CO و UHC بهطور مستقیم تحلیل شود [14]. مزیت کلیدی شبکه رآکتورهای شیمایی در این است که میتوان با هزینه محاسباتی بسیار کم، تصویری قابل اعتماد از گرادیان دما، ترکیب گازها و مسیرهای شیمیایی به دست آورد؛ هرچند دقت آن به شدت به کیفیت تقسیمبندی هندسی، صحت دادههای ورودی (مانند نرخ جریان ورودی) و انتخاب صحیح مکانیزم سینتیکی وابسته است. در پژوهشهای اخیر نیز نه تنها از این روش برای بررسی شرایط محفظه احتراق نظیر خاموشی شعله [15] و موارد دیگر پرداخته شده بلکه از ترکیب این روش با دینامیک سیالات محاسباتی برای تحلیل اثر سوختها بر آلایندگی [16، 17]، بهینه سازی محفظه احتراق [18] و اثر استفاده از سوختهای پاک بر شرایط خروجی محفظه احتراق [19] نیز استفاده شده است.
رآکتور کاملاً آمیخته حالتی ایدهآل را توصیف میکند که در آن، بهواسطهی اختلاط کامل و سریع، تمامی بخشهای رآکتور از نظر دما، فشار و ترکیب شیمیایی یکنواختاند. رآکتورهای کاملاً آمیخته در حالت پایا، رویکردی ساده و کارآمد برای درک فرآیندهای احتراق در سامانههای با جریان پیوسته ارائه میدهند [20].
در این پژوهش، یک کد عددی یکبعدی پاسخ سریع توسعه داده شده است که با دریافت مستقیم هندسه و شرایط ورودی، توزیع جریان هوا و پارامترهای ترمودینامیکی متناظر را در حلقه و سوراخها محاسبه میکند و سپس این اطلاعات بهصورت خودکار وارد بخش احتراق میشود، جایی که فرایند احتراق با استفاده از برنامه CANTERA و از طریق یک شبکه رآکتورهای شیمیایی دقیق حل میشود. نوآوری اصلی این چارچوب در یکپارچهسازی مدل جریان یکبعدی با شبیهسازی سینتیک شیمیایی است، بهگونهای که امکان پیشبینی همزمان محصولات احتراق، تشکیل آلایندهها و توزیع دما فراهم میشود، درحالیکه کل فرایند محاسباتی با حفظ دقت مهندسی مناسب، در زمانی کمتر از یک دقیقه انجام میگیرد. استفاده از سرعت محاسباتی بالا در کنار دقت قابلقبول، این کد را به ابزاری مناسب جهت تحلیل محفظه احتراق تبدیل میکند.
بهمنظور سادهسازی مدل و دستیابی به نتایج پایدار، جریان محفظه احتراق بهصورت پایا، تراکمناپذیر و شبه یکبعدی فرض شده و نوسانات زمانی، جریان بازگشتی و مؤلفههای شعاعی نادیده گرفته شدهاند. هندسه تنها به حالتهای استوانهای و حلقوی محدود بوده و جریان یکنواخت در نواحی مختلف فرض شده است. اعتبار نتایج به بازه مشخصی از دادههای ورودی محدود است. ساختار برنامه شامل دو بخش تحلیل آیرودینامیک و احتراق است که روند آنها در شکل ۳ ارائه شده است.
هدف اصلی این برنامه، دستیابی به پاسخ سریع و نزدیک به واقعیت جهت تحلیل هندسههای مختلف محفظه احتراق است. این کد با اتکا بر روابط تجربی و تحلیلی توسعهیافته و به کاربر اجازه میدهد تا پارامترهای کلیدی نظیر توزیع نرخ جرمی سوراخها، عدد ماخ و فشار استاتیک در حلقهها، و نرخ جرمی عبوری از چرخاننده را محاسبه و تحلیل نماید. کدنویسی بهصورت ماژولار در سه بخش انجام شده است:
· هندسه و شرایط ورودی: دریافت ابعاد اولیه محفظه و ترسیم هندسه.
· محاسبات سوراخها و حلقهها: تخمین جریان هوای عبوری و تعیین توزیع نرخ جرمی بادقت بالا.
· محاسبات چرخاننده: بهروزرسانی نرخ جرمی و بررسی همگرایی فشار و جرم عبوری.
در صورت تأمین معیارهای همگرایی، دادههای آیرودینامیکی برای ورود به مرحله تحلیل احتراق ارسال میشوند؛ در غیر این صورت، روند محاسبات تا رسیدن به جواب پایدار تکرار خواهد شد.
این بخش فرایند احتراق را باتکیهبر نتایج آیرودینامیکی بررسی میکند تا تأثیر توزیع جریان بر واکنشهای شیمیایی مشخص شود. برنامه شامل دو زیرسامانه است:
· گسستهسازی میدان حل: تقسیم دامنه محفظه به اجزای کوچکتر، تعیین حجم و تعداد رآکتورها، و تخصیص دبی جرمی هوا و سوخت به هر بخش.
· حل معادلات احتراق: استفاده از نرمافزار CANTERA [23] برای حل واکنشها بر اساس دادههای ورودی شامل نوع و توزیع سوخت، دمای اولیه، ضریب انتقال حرارت، شرایط مرزی و مکانیزم شیمیایی.
در نهایت، خروجیهای برنامه شامل محصولات احتراق و توزیع دما محاسبه و ترسیم میشوند.
