سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

تأثیر نرخ جریان رقیق‌کننده بر پایداری شعله و انتشار آلاینده‌ها در مشعل‌ غیرپیش‌مخلوط جریان هم‌محور: مطالعه شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (LES)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
حامد حلمی
یونس بخشان
پویان ادیبی
گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه هرمزگان، بندرعباس، ایران
10.22034/jfnc.2026.593583.1467
چکیده
پایداری شعله در مشعل‌های هم‌محور با استفاده از رقیق‌سازی بخار، راهکاری موثر برای کاهش آلاینده‌ها و پایداری سیستم‌های احتراقی است. این مطالعه به بررسی عددی اثر نرخ جرمی رقیق‌ساز بخار (SFR) بر پایداری دینامیکی و پروفیل‌های آلایندگی در یک پیکربندی مشعل هم‌محور با استفاده از شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (LES) می‌پردازد. نتایج نشان می‌دهد که افزایش نرخ رقیق‌سازی با تعدیل عدد لوئیس محلی (Le) و نسبت انبساط حرارتی(α)، بر ساختار لایه برشی و ناپایداری‌های هیدرودینامیکی (از جمله ناپایداری داریوس-لاندو ( D-L) تأثیر مستقیم دارد. شبیه‌سازی‌ها تأیید می‌کنند که در بازه‌های مشخصی از SFR، افزایش رقیق‌سازی منجر به تضعیف نوسانات فشار و گذار سیستم از رژیم چرخه حدی به وضعیت پایدار می‌شود. در حالی که این رویکرد کاهش قابل توجه NO_x را به همراه دارد، تحلیل‌ها نشان می‌دهند که عبور از آستانه‌های بحرانی رقیق‌سازی، به‌دلیل خنک‌سازی موضعی و تأثیر بر سینتیک شیمیایی، منجر به افزایش غلظت هیدروکربن‌های نسوخته و خطر خاموشی شعله می‌شود. یافته‌های این پژوهش، چارچوبی عددی برای تعیین محدوده عملیاتی بهینه مشعل جهت دستیابی به تعادل میان پایداری شعله و عملکرد زیست‌محیطی ارائه می‌دهد.

تازه های تحقیق

این مطالعه با استفاده از شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ (LES)، نقش رقیق‌سازی با بخار را بر پایداری و مشخصات شعله‌های غیرپیش‌مخلوط همرکز، با استفاده از تغییر نرخ جرمی بخار (SFR) به عنوان متغیر کنترلی مستقل، کمی‌سازی کرده است. داده‌های عددی نشان می‌دهد که افزایش SFR به‌طور مستقیم منجر به کاهش دمای اوج شعله و تغییر در تعاملات حرارتی-نفوذی می‌گردد. نتایج کمی به‌دست‌آمده بیانگر آن است که با تغییر نرخ SFR در بازه عملیاتی مورد بررسی، پارامترهای بی‌بعد (Le, Da) تغییر یافته و به‌تبع آن، جبهه شعله و نرخ تولید آلاینده‌ها تعدیل می‌شود.
مطابق یافته‌های کمی حاصل از تحلیل‌های طیفی و زمانی، در مقادیر پایین رقیق‌ساز، نوسانات در فرکانس ۲۰ هرتز منجر به تشکیل چرخه حدی (LCO) می‌شود. در مقابل، شواهد نشان می‌دهد که با افزایش SFR>1.0، افزایش عدد دامکولر (Da) و تغییر در ضریب نفوذ حرارتی (α)، سیستم از رژیم ناپایدار به سمت جریانی با نوسانات کنترل‌شده و میرای آکوستیک سوق می‌یابد. این داده‌ها همچنین یک محدوده پایداری را مشخص می‌کنند؛ به طوری که رقیق‌سازی فراتر از آستانه (SFR>2.1) اگرچه میزان NO_x را کاهش می‌دهد، اما با افزایش خطر خاموشی موضعی، افزایش هیدروکربن نسوخته و کاهش (CO_2) همراه است. در نهایت، تحلیل‌های عددی تأیید می‌کنند که تغییر در پایداری سیستم ناشی از اثر میراکنندگی بخار بر لایه برشی و تقویت ناحیه گردش مرکزی (CRZ) است. این یافته‌ها مرز میان پایداری عملیاتی و ناپایداری‌های نفوذی را به‌صورت کمی تبیین کرده و چارچوبی دقیق برای بهره‌برداری از بخار ارائه می‌دهند. با توجه به یافته‌های این پژوهش، جهت مطالعات و توسعه‌های آتی پیشنهاد می‌شود، نرخ جریان رقیق‌ساز با استفاده از نقشه‌های پایداری مبتنی بر اعداد بی‌بعد (مانند رینولدز، لوئیس و دامکولر) به منظور دستیابی به نقاط کارکردی بهینه‌سازی شود. پتانسیل کنترل فعال ناپایداری‌ها از طریق تزریق بخار پالسی جهت تعدیل نوسانات ترموآکوستیک بررسی شود. سیستم‌های کنترل بازخوردی بر اساس شاخص‌های نوسانی مانند عدد پرانتل یا تغییرات چگالی در مطالعات تجربی و عددی آتی توسعه یافته و ارزیابی شود. هندسه مشعل و نازل‌های هم‌محور جهت تقویت ناحیه گردش مرکزی (CRZ) و افزایش حاشیه پایداری شعله در حضور جریان سطوح بالای رقیق‌سازی بهبود و توسعه یابد.

 

 

کلیدواژه‌ها
مشعل
ناپایداری
احتراق
موضوعات

عنوان مقاله English

Impact of Diluent Flow Rate on Flame Stability and Pollutant Emission in Coaxial Non-Premixed Burner: A Large Eddy Simulation Study

نویسندگان English

Hamed Helmi
Younes Bakhshan
Pouyan Adibi
Mechanical Engineering Department, University of Hormozgan, Bandar abbas, Iran
چکیده English

Flame stabilization in coaxial burners using steam dilution is an effective strategy for reducing pollutants and stabilizing combustion systems. This study numerically investigates the effect of the steam dilution mass flow rate (SFR) on dynamic stability and pollutant profiles in a coaxial burner configuration using large eddy simulation. The results indicate that increasing the dilution rate directly influences the shear layer structure and hydrodynamic instabilities including the Darrieus-Landau instability by modulating the local Lewis number and the thermal expansion ratio. Simulations confirm that within specific SFR ranges, increased dilution attenuates pressure oscillations and drives the system from a limit-cycle regime to a stable state. While this approach yields significant NOx reduction, analyses reveal that exceeding critical dilution thresholds leads to increased concentrations of unburned hydrocarbons and a risk of flame extinction due to local cooling and impacts on chemical kinetics. The findings of this research provide a numerical framework for determining the optimal burner operating range to achieve a balance between flame stability and environmental performance.

کلیدواژه‌ها English

Burner
instability
combustion
[1] H. V. Farahani and A. M. Tahsini, "Equivalence ratio and fuel type impacts on limit cycle and beating oscillations in combustion instability," International Journal of Engine Research, vol. 2026, p. 14680874251401336, 2026.
[2] Z. Liu, Y. Xiong, X. Wei, N. Yang, Y. Ben, S. Zhang, and X. Xu, "Flame stability and emissions of a multi-nozzle array combustor fueled hydrogen enriched fuel under fuel staging conditions," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 102, pp. 996–1009, 2025.
[3] Z. Wan, J. Niu, T. Huang, Y. Liu, Y. Sun, C. Yang, and Y. Chen, "Study on the mechanism of flame instability and pollutant formation in porous diffusion combustion of hydrogen enriched natural gas for domestic burner," Fuel, vol. 398, p. 135546, 2025.
[4] P. Clavin and G. Searby, Combustion Waves and Fronts in Flows. Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2010.
[5] Q. Yao, O. Shi, L. Song, W. Jin, J. Li, H. Liu, and L. Yuan, "An experimental study of thermoacoustic instabilities in a RP-3 fueled multi-swirl stabilized lean direct injection combustor," Applied Thermal Engineering, vol. 255, p. 124034, 2024.
[6] L. Ji, J. Wang, W. Zhang, Y. Wang, Z. Huang, and X. Bai, "Structure and thermoacoustic instability of turbulent swirling lean premixed methane/hydrogen/air flames in a model combustor," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 60, pp. 890–901, 2024.
[7] C. Lu, L. Zhang, C. Xing, L. Liu, and P. Qiu, "Effects of characteristic diameter, steam dilution, and equivalence ratio on NO formation for a H2/Air micromix design," International Journal of Hydrogen Energy, vol. 61, pp. 1133–1141, 2024.
[8] J. Gaucherand, D. Laera, C. Schulze-Netzer, and T. Poinsot, "Intrinsic instabilities of hydrogen and hydrogen/ammonia premixed flames: Influence of equivalence ratio, fuel composition and pressure," Combustion and Flame, vol. 256, p. 112986, 2023.
[9] J. Rodriguez Camacho, D. Le, J. Blust, and J. O’connor, "Impact of diluents on flame stability with blends of natural gas and hydrogen," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 147, no. 1, p. 011017, 2025.
[10] S. Izadi, O. Kislat, J. Zanger, H. Seliger-Ost, P. Kutne, and M. Aigner, "Investigating the impact of steam enhancement on combustion in a swirl-assisted jet-stabilized gas turbine combustor," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, vol. 147, no. 1, p. 011001, 2025.
[11] A. Kavoosi and A. Keshavarz, "Simulating Natural Gas Combustion with Steam Injection to Reduce NOx Emissions," Cleaner Chemical Engineering, p. 100212, 2025
[12] R. Palulli, K. Zhang, S. Dybe, M. Yasir, C. O. Paschereit, and C. Duwig, "Investigation of NO formation in non-premixed, swirl-stabilised, wet hydrogen/air gas turbine combustor," Fuel, vol. 378, p. 132943, 2024.
[13] S. Tao, Z. Li, X. Li, J. Xu, E. Luo, and G. Chen, "On the nonlinear dynamic characteristics of forced acoustic oscillations in a heat-driven thermoacoustic engine," Nonlinear Dynamics, vol. 112, no. 11, p. 9001, 2024.
[14] G. Troiani, P. E. Lapenna, R. Lamioni, and F. Creta, "Self-wrinkling induced by Darrieus-Landau instability in turbulent premixed Bunsen flames from low to moderately high Reynolds numbers," Physical Review Fluids, vol. 7, no. 5, p. 053202, 2022.
[15] M. Elkelawy, E. A. El Shenawy, H. A. E. Bastawissi, I. A. Mousa, and M. M. Abdel-Raouf Ibrahim, "Analyzing the influence of design and operating conditions on combustion and emissions in premixed turbulent flames: A comprehensive review," Journal of Engineering Research, vol. 8, no. 1, p. 34, 2024.
[16] P. Palies, "The flame displacement speed: a key quantity for turbulent combustion and combustion instability," International Journal of Spray and Combustion Dynamics, vol. 14, no. 1-2, pp. 4–16, 2022.
[17] Y. Zhou, Hydrodynamic Instabilities and Turbulence: Rayleigh–Taylor, Richtmyer–Meshkov, and Kelvin–Helmholtz Mixing. Cambridge, UK: Cambridge Univ. Press, 2024.
[18] C. A. Fugger, R. A. Forlines, B. T. Paxton, A. W. Caswell, and B. A. Rankin, "Freestream and shear layer effects in bluff-body-stabilized turbulent premixed flames," Combustion and Flame, vol. 263, p. 113378, 2024
[19] B. Barker, J. B. Bell, and A. L. Garcia, "Fluctuating hydrodynamics and the Rayleigh–Plateau instability," Proceedings of the National Academy of Sciences, vol. 120, no. 30, p. e2306088120, 2023.
[20] H. Dai, J. Wang, X. Cai, S. Su, H. Zhao, and Z. Huang, "Lewis number effects on laminar and turbulent expanding flames of NH3/H2/air mixtures at elevated pressures," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 2, pp. 1689–1697, 2023.
[21] L. Berger, M. Grinberg, B. Jürgens, P. E. Lapenna, F. Creta, A. Attili, and H. Pitsch, "Flame fingers and interactions of hydrodynamic and thermodiffusive instabilities in laminar lean hydrogen flames," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 2, pp. 1525–1534, 2023.
[22] Y. Liu, P. Liu, Z. Wang, W. Ao, G. Xu, and Y. Guan, "Numerical investigation of combustion instability in a liquid rocket engine: Interaction effect between hydrodynamics and acoustic mode," Aerospace Science and Technology, vol. 143, p. 108711, 2023.
[23] Y. Guan, B. Yin, Z. Yang, and L. K. B. Li, "Forced synchronization of self-excited chaotic thermoacoustic oscillations," Journal of Fluid Mechanics, vol. 982, p. A9, 2024.
[24] C. Liu, H. Yang, C. Ruan, L. Yu, and X. Lu, "Influence of swirl intensity on combustion dynamics and emissions in an ammonia-enriched methane/air combustor," Physics of Fluids, vol. 36, no. 3, 2024.
[25] J. Cheng and B. Zhang, "Experimental study on the explosion characteristics of ammonia-hydrogen-air mixtures," Fuel, vol. 363, p. 131046, 2024.
[26] A. G. H. Saif, M. I. Ahmed, Q. Talal, and E. M. A. Mokheimer, "Effects of hydrogen enrichment on flame stability, thermoacoustic oscillations, and combustion characteristics in premixed propane swirl flames: An experimental study," Fuel, vol. 404, p. 136373, 2026.
[27] P. E. Buschmann, N. A. Worth, and J. P. Moeck, "Thermoacoustic oscillations in a can-annular model combustor with asymmetries in the can-to-can coupling," Proceedings of the Combustion Institute, vol. 39, no. 4, pp. 5707–5715, 2023.
[28] H. S. Gopalakrishnan, A. Gruber, and J. P. Moeck, "Computation and prediction of intrinsic thermoacoustic oscillations associated with autoignition fronts," Combustion and Flame, vol. 254, p. 112844, 2023.
[29] P. Palies, "Flow and flame mechanisms for swirl-stabilized combustors," Aerospace, vol. 12, no. 5, p. 430, 2025.
[30] R. Guo, Y. Su, and Y. Jiang, "Large eddy simulation of turbulent swirl-stabilized flames using the front propagation formulation: impact of the resolved flame thickness," arXiv preprint arXiv:2602.21940, 2026.
[31] Ahsan, A., Aydin, M., Mansour, M. S., & Al-Qaydi, A. A., Quantifying the carbon conversion efficiency and emission indices of a lab-scale natural gas flare with internal coflows of air or steam, Experimental Thermal and Fluid Science, 103 133–142, 2019.