مطالعه عددی اثر دینامیک جریان و اکسیژن بر احتراق متان-هیدروژن در شرایط Mild

مردانی, امیر; تابع جماعت, صادق

مطالعه عددی اثر دینامیک جریان و اکسیژن بر احتراق متان-هیدروژن در شرایط Mild

نویسندگان

امیر مردانی

صادق تابع جماعت

دانشکده مهندسی هوافضا ،دانشگاه صنعتی امیرکبیر،تهران ،ایران

چکیده

احتراق تحت شرایط رقیق سازی زیاد و دمای پیشگرم بالا (Mild) دارای ویژگی هایی است که آن را از سایر سیستم های احتراقی متمایز می کند. از جمله آنها، کاهش چشمگیر اکسیژن در منطقه واکنش در مقایسه با احتراق عادی و در نتیجه کم سرعت بودن واکنشها و به عبارت دیگر آرام سوزی است. این امر موجب می شود که مقیاس زمانی جریان و انجام واکنشها به یکدیگر نزدیک شود. برای مطالعه این رژیم احتراقی شعله متقارن محوری مخلوط CH4+H2 آزمایشهای گروه دالی که شرایط احتراق Mild را دارد، مبنای مدلسازی قرار گرفته است[Proc. Combust. Inst. 29 (2002),1147-1154]. در مدلسازی انجام شده از معادلات RANS و مدل توربولانسی اصلاح شده به همراه مدل EDC برای ایجاد رابطه مناسب بین سینتیک شیمیایی و آشفتگی جریان و همچنین از سازوکارهای شیمیایی کامل GRI2.11 و کاهش یافته DRM-22 استفاده شده است. با تغییر غلظت اکسیژن هوای داغ ورودی و سرعت فواره سوخت، ویژگیهای این رژیم احتراقی نظیر اهمیت قدرت نفوذ مولکولی در میدان و سرعت واکنشها و توزیع متغیرهای میدان بررسی شد. دیده شد که در چنین شرایطی پدیده انتقال مولکولی که در جریانهای آشفته متعارف معمولاً قابل صرف نظر کردن است، دارای اهمیت خواهد شد. همچنین نتایج حاکی از آن است که با دور شدن از دهانه نازل، سرعت و شدت واکنشها افزایش یافته و ضمن دور شدن از شرایط احتراق Mild از دقت مدلسازی کاسته می شود. همچنین در نزدیکی دهانه نازل و غلظتهای اکسیژن کم ورینولدزهای پایین اثرگذاری انتقال مولکولی قابل توجه است و نباید از آن صرفنظر شود. مقایسه نتایج مدلسازی و تجربی حاکی از رضایتبخش بودن دقت نتایج عددی دارد.

تازه های تحقیق

در مقاله جاری شعله غیر پیشمخلوط سوخت متان- هیدروژن در شرایط رقیقسازی و پیشگرم بالا در حالی که شرایط جریان آشفته است مطالعه شده است. مقایسه نتایج عددی و تجربی نشان دهنده دقت خوب مدلسازی به ویژه در نواحی نزدیک نازل سوخت است. با دور شدن از نازل سوخت و در فاصله 120 میلیمتری اختلافهایی بین نتایج تجربی و عددی دیده میشود که احتمالاً به علت عدم پیشبینی خاموشیهای موضعی توسط معادلات و مدلهای به کار رفته در آن نواحی است. زیرا استفاده از معادلات متوسطگیری شده نویراستوکس و مدلهای مربوطه (مانند مدل آشفتگی به کار رفته) امکان مشاهده پدیدههایی را که در مقیاس گردابههای (Eddy) آشفتگی کوچک اتفاق میافتند، ندارند.

دیده شد که در شعله Mild انتقال مولکولی در مقابل انتقال گونههای شیمیایی از طریق جریان بسیار قدرتمند بوده و به ویژه در نواحیای که نرخ واکنش بالاتر بوده و موجب پایداری شعله میشود، بسیار تاثیرگذار است و در مدلسازی عددی نمیتوان از آن صرفنظر کرد. با در نظر گرفتن سه مدل؛ 1- قانون فیک و ضرایب نفوذ ثابت یکسان برای تمام گونههای شیمیایی 2- قانون فیک و ضرایب نفوذ دوتایی با استفاده از نظریه جنبشی مولکولی 3- حل معادله دقیق نفوذ، برای انتقال مولکولی در معادله بقای اجزای شیمیایی، دیده شد که روش دوم و سوم نتایج مشابهی دارند و لذا با توجه به هزینه محاسباتی کمتر روش دوم توصیه میشود.

با استفاده از سازوکارهای شیمیایی مختلف اطمینان حاصل شد که اثرگذاری پدیده انتقال مولکولی و نتایج به دست آمده معلول سازوکار شیمیایی نیستند.

با دور شدن از دهانه نازل از قدرت انتقال مولکولی و وسعت محل اثرگذاری آن کاسته میشود، اما در نزدیکی دهانه نازل بسیار مهم است. نشان داده شد که در مخلوطهای ضعیفتر از لحاظ غلظت اکسیژن و همچنین در رینولدز کوچکتر، پدیده انتقال مولکولی مهمتر، تاثیرگذارتر و در مدلسازی عددی قابل صرفنظر کردن نیست.

دیده شد که با کاهش غلظت اکسیژن، عدد دامکوهلر کاهش مییابد که نشان دهنده کاهش سرعت واکنشهای شیمیایی است. همچنین یکنواختی دمایی افزایش مییابد.

با افزایش رینولدز فواره سوخت اگرچه غلظت رادیکالهای میانی نظیر OH و CH₂O افزایش یافت، اما دمای بیشینه و عدد دامکوهلر به مقدرا کمی کاهش مییابند. این مطلب نشان میدهد که لازم است در این زمینه مطالعات بیشتری انجام شود.

کلیدواژه‌ها

احتراق Mild

رقیقسازی

آشفتگی

متان

هیدروژن

عنوان مقاله English

A Numerical Study of the Effect of Flow Dynamics and Oxygen Concentration on Methane-Hydrogen Non-Premixed Flame in a Mild Combustion Regime

نویسندگان English

Amir Mardani

صادق تابع جماعت

Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

Mild is an acronym for moderate or intense low-oxygen dilution and refers to oxidizer high preheating and dilution. The Mild combustion has features which set it apart from other combustion systems, such as higher reaction zone volume, more uniform temperature distribution, lower reaction rate, lower heat release rate and lower Damkohler number in comparison with the ordinary combustion regime. In this paper, characteristics of the Mild regime were studied numerically. The experimental conditions of Dally et al. [Proc. Combust. Inst. 29 (2002) 1147–1154] were used for modelling in the present study. The EDC model was used to describe the turbulence-chemistry interaction. The DRM-22 reduced mechanism and the GRI 2.11 full mechanism were used to represent the chemical reactions of H₂/methane jet flame. The distribution of temperature, some species, reaction rates and also the importance of molecular diffusion for various O₂ levels and jet Reynolds numbers were investigated. The results show that the molecular diffusion in Mild combustion cannot be ignored in comparison with the turbulent transport. Also, the method of inclusion of molecular diffusion in combustion modelling has a considerable effect on the accuracy of numerical modelling of Mild combustion. By decreasing the jet Reynolds number and reducing the oxygen concentration in the airflow, the influence of molecular diffusion on Mild combustion increases. Moreover, the effect of the molecular diffusion reduces on reaction zone when moving away from the nozzle. Although the agreement between numerical and experimental results are very satisfactory, by distancing from the nozzle, the rate of reactions increases while deviation from Mild condition and numerical errors grows.

کلیدواژه‌ها English

Mild combustion

Turbulence

Dilution

Methane

Hydrogen

1. Weinberg, P. J., Combustion Temperatures: The Future?, Nature, 233, pp. 239-241, 1971.

2. Hoffmann, J. G., Echigo, R., Yoshida, H., and Tada, S., “Experimental Study on Combustion in Porous Media with a Reciprocating Flow System,” Combust. Flame, 111, pp. 32-46, 1997.

3. Gupta, A. K., and Li, Z., “Effect of Fuel Property on the Structure of Highly Preheated Air Flames,” Proceedings of Intl. Joint Power Generation Conference, Denver, CO, ASME EC-5, pp. 247-258, 1997.

4. Cavaliere, A., and Joannon, M. D., Mild Combustion, Energy and Combustion Science, 30, pp. 329-366, 2004.

5. Gupta, A. K., and Li, Z., “Effect of Fuel Property on the Structure of Highly Preheated Air Flames,” Proceedings of Intl. Joint Power Generation Conference, Denver, CO, ASME EC- 5, pp. 247-258, 1997.

6. Gupta, A. K., “Flame Characteristics and Challenges with High Temperature Air Combustion,” Proc. of Intl. Joint Power Generation Conference (IJPGC), Phoenix, AZ, 2000.

7. Gupta, A. K., “Flame Length and Ignition Delay During the Combustion of Acetylene in High Temperature air,” Invited Paper, Proceedings of the 5^th High Temperature Air Combustion and Gasification Conference, Yokohama, Japan, 2002.

8. Gupta, A. K., “Thermal Characteristics of Gaseous Fuel Flames using High Temperature Air,” ASME J. Engr. Gas Turbine Power, 126, NO, 1, pp. 9-19, 2004.

9. Bolz, S., and Gupta, A. K., “Effect of Air Preheat Temperature and Oxygen Concentration on Flame Structure and Emissions,” Proc. Intl. Joint Power Joint Generation Conference (IJPGC98), Baltimore, MD, ASME FACT, 22, pp. 193-205, August, 1998.

10. Ito, Y., Gupta, A. K., Yoshikawa, K., and Shimo, N., “Combustion Characteristics of Low Calorific Value Gas with High Temperature and Low-Oxygen Concentration Air,” Proceedings of the 5^th High Temperature Air Combustion and Gasification Conference, Yokohama, Japan, 2002.

11. Tsuji, H., Gupta, A. K., Hasegawa, T., Katsuki, K., Kishimoto, K., and Morita, M., “High Temperature Air Combustion: From Energy Conservation to Pollution Reduction,” CRC Press, Boca Raton, FL, 2003.

12. Mortberg, M., Blasiak, W., and Gupta, A. K. “Experimental Investigation of Flow Phenomena of a Single Fuel Jet in Cross-Flow During Highly Preheated Air Combustion Conditions,” ASME J. for Gas Turbines and Power (In press), 2006.

13. Mortberg, M., Blasiak, W., and Gupta, A. K. “Flameless Combustion of Methane Fuel Jet Injected Into Transverse High Temperature Air Flow,” Proc. 6^th Intl. Conference on High Temperature Air Combustion and Steam Gasification (HTACG), Essen, Germany, October, 2005.

14. Hasegawa, T., Mochida, S., and Gupta, A. K. “Development of Advanced Industrial Furnace using Highly Preheated Air Combustion,” J. Propul. Power, 18, NO. 2, pp. 233-239, 2002.

15. Wunning, J. G., “Flameless Combustion in Thermal Process Technology,” 2^th International Seminar on High Temperature Air Combustion, Sweden, 2000.

16. Katsuki, M., and Ebisui, K., “Possibility of Low Nitric Oxides Emission from Regenerative Combustion System Using Highly Preheated Air,” The First Asia-Pacific Conference on Combustion, pp. 294-297, Osaka, 1997.

17. Katsuki, M., and Hasegawa, T., “The Science and Technology of Combustion in Highly Preheated Air,” 27 Symposium on Combustion, Combu. Inst., pp. 3135-3146, 1998.

18. Plessing, T., Peters, N., and Wunning, J. G., “Laser Optical Investigation of Highly Preheated Combustion with Strong Exhaust Gas Recirculation,” 27 Symposium on Combustion/The Combustion Institute, pp. 3197-3204, 1998.

19. Maruta, k., Muso, K., Takeda, K., and Niioka, T., “Reaction Zone Structure in Flameless Combustion,” Proceeding of Combustion Institute, 28, pp. 2117-2123, 2000.

20. Christo, F. C., and Dally, B. B., “Modeling Turbulent Reacting Jets Issuing into a Hot and Diluted Co-flow,” Combustion and Flame, 142, pp. 117-129, 2005.

21. Christo, F. C., and Dally, B. B., “Application of Transport PDF Approach for Modeling MILD Combustion,” 15^th Australasian Fluid Mechanics Conference, the University of Sydney, Sydney, Australia, 2004.

22. Christo, F. C., Dally B. B., and Szego, G. G., A Hybrid RANS/PDF Approach for Modeling Hot and Dlluted Flames, Report of the University of Adelaide, 2005.

23. Yong, W., Wei, D., and Blasiak, W., Mathematics Modeling for High Temperature Air Combustion(HiTAC), Summary Final Report, Royal Institute of Technology(KTH), ISSN 0280-249X, 2003

24. Yong, W., Wei, D., and Blasiak, W., “Numerical Study of Fuel Temperature Influence on Single Gas Jet Combustion in Highly Preheated and Oxygen Deficient Air,” Energy, 30, pp. 385-398, 2005

25. Yong, W., Wei, D., and Blasia, W., “Flame Entrainments Induced by a Turbulent Reacting Jet Using High-Temperature and Oxygen-Deficient oxidizers,” Energy & Fuels, 19, pp. 1473-1483.

26. Coelho, P. j., and Peters, N., “Numerical Simulation of a Mild Combustion Burner,” Combust. Flame, 124, pp. 503-518, 2001.

27. Orsino, S. R., Weber, R. U., and Bollettini, U., “Numerical Simulation of Combustion of Natural Gas with High Temperature Air,” Combustion Science and Technology, 170, pp. 1-34, 2001.

28. Galletti, C., Parente, A., and Tognotti, L., “Numerical and Experimental Investigation of a MILD Combustion Burner,” Combustion and Flame, 151, pp. 649-66, 2007.

29. Barlow, R. S., Frank, J. H., Karpetis, A. N., and Chen, J. Y., “Piloted Methane/Air jet Flames: Transport Effects and Aspects of Scalar Structure,” Combustion and Flame, 143, pp. 433-449, 2005

30. Parente, A., Galletti, C., and Tognotti, L., “Effect of the Combustion Model and Kinetic Mechanism on the MILD Combustion in an Industrial Burner fed with Hydrogen Enriched Fuels,” International Journal of Hydrogen Energy, 33, pp.7553-7564, 2008.

31. Kuo, K. K., Principle of Combustion, Wiley, 1986

32. Dally, B. B., Karpetis, A. N., and Barlow, R. S., “Structure of Turbulent Non-Premixed Jet Flames in a Diluted Hot Coflow,” Proceeding of the Combustion Institute, 29, pp. 1147-1154, 2002

33. Rahman, M. M., Miettinen, A., and Siikonen, T., “Modified Simple Formulation on a Collocated Grid with an Assessment of the Simplified Quick Scheme,” Numerical Heat Transfer, 30, NO. 3, pp.291-314, 1996

34. Medwell, P. R., Kalt, P., and Dally, B. B., “Simultaneous Imaging of OH, Formaldehyde, and Temperature of Turbulent Non-Premixed Jet Flames in a Heated and Diluted Co-flow,” Combustion and Flame, 148, pp. 48-61, 2006.

35. Gran, I. R., and Magnussen, B. F., “A Numerical Study of a Bluff-Body Stabilized Diffusion Flame. Part 2. Influence of Combustion Modeling and Finite-Rate Chemistry,” Combustion Science and Technology, 119, pp. 191-217, 1996.

36. Frenklach, M., Wang, H., Yu, C. L., Goldenberg, M., Bowman, C. T., and Hanson, R. K., et al., “GRI-1.2.”, Available at http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/.

37. Smith, G. P., Golden, D. M., Frenklach, M., Moriarty, N. W., Eiteneer, B., and Goldenberg, M., et al., “GRI-3.0.”, Available at http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/.

38. Kazakov A., and Frenklach, M., Reduced reaction sets based on GRIMech1.2., Available at http://www.me.berkeley.edu/ drm/.

39. Bowman, C. T ., Hanson, R. K., Da vidson, D. F., Gardiner, W. C., Lissianski, Jr. V., Smith, G. P., Golden, D. M., M. Frenklach, and M. Goldenberg, “GRI-2.11.”, Available at http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/ (1995).

40. Westbrook, C., and Drye, F., “Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbons Fuels in Flames,” Combustion Science and Technology, 27, pp.31-43, 1981

41. Bilger, R. W., Starner, S. H., and Kee, R. J., “On Reduced Mechanisms for Methane-Air Combustion in Nonpremixed Flames,” Combust. Flame, 80, pp.135-149, 1990.

42. Warnatz, J., Mass, U., and Dibble, R. W., Combustion Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation, Third Edition, Springer, 1996.

43. Merk, H. J., “The Macroscopic Equations for Simultaneous Heat and Mass Transfer in Isotropic, Continuous and Closed Systems,” Appl. Sci. Res., 8, pp. 73-99, 1958.

44. Hilbert, R., Tap, F., El-Rabii, H., and Thevenin, D., “Impact of Detailed Chemistry and Transport Models on Turbulent Combustion Simulations,” Progress in Energy and Combustion Science, 30, pp. 61-117, 2004.

45. Mancini, M., Schwoppe, P., Weber, R., and Orsino, S., “On mathematical Modelling of Flameless Combustion,” Combustion and Flame, 150, pp. 54-59, 2007.

46. Pitsch, H., “Unsteady Flamelet Modeling of Differential Diffusion in Turbulent Jet Diffusion Flames,” Combustion and Flame, 123, pp. 358-374, 2000.

47. Kohse-Hoinghaus, K., and Jeffries, J. B., Applied Combustion Diagnostics, Taylor & Francis, New York, 2002.

48. Bombach, R., and Kappeli, B., “Simultaneous Visualization of Transient Species in Flames by Planar- Laser-Induced Fluorescence Using a Single Laser System,” Appl. Phys. B 68, pp.251-255.

49. Najm, H. N., Paul, P. H., Mueller, C. J., and Wyckoff, P. S., “On the Adequacy of Certain Experimental Observables as Measurements of Flame Burning Rate,” Combust. Flame, 113, pp. 312–332, 1998.