شبیه­ سازی عددی احتراق در محیط متخلخل در حالت دو بعدی با استفاده از چهار سازوکار شیمیایی چند مرحله­ ای مختلف

حسین پور, سیامک; معلمی خیاوی, نگین

شبیه سازی عددی احتراق در محیط متخلخل در حالت دو بعدی با استفاده از چهار سازوکار شیمیایی چند مرحله ای مختلف

نویسندگان

سیامک حسین پور ¹

نگین معلمی خیاوی ²

¹ دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه صنعتی سهند تبریز،تبریز،ایران

² دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه صنعتی سهند، تبریز،ایران

چکیده

در تحقیق حاضر، یک برنامه رایانه ای در محیط فرترن برای شبیه سازی دو بعدی احتراق پیش آمیخته هوا-متان درمحیط متخلخل نوشته شده استدر کنار این برنامه، از برنامه CHEMKIN II و اطلاعات پایه آن استفاده شده است. معادلات ناویر استوکس، معادلات انرژی فاز جامد و گاز و معادلات انتقال حاکم بر گونه های شیمیایی با استفاده از روش حجم محدود حل شده و برای ارتباط دادن سرعت و فشار از الگوریتم سیمپل (SIMPLE) استفاده شده است. محفظه احتراق مورد مطالعه، یک محفظه مستطیلی متشکل از دو ناحیه است که ناحیه اول، ناحیه پیش گرمایش و ناحیه دوم، ناحیه احتراق است. مهمترین کار انجام شده در این مقاله، استفاده از چهار سینتیک شیمیایی چند مرحله ای متفاوت برای شبیه سازی واکنشهای شیمیایی و بررسی اثر استفاده از این چهار سازوکار شیمیایی بر پیش بینی توزیع (Profile) دما، جزء جرمی گونه های شیمیایی و انتشار آلودگی هاست. همچنین تاثیر تغییر ضریب هدایت گرمایی مواد متخلخل نیز بررسی شده است. نتایج نشان می دهد با افزایش ضریب انتقال گرمای هدایت در پایین دست شعله، دمای گاز و ماده متخلخل در ناحیه احتراق کاهش می یابد و این کاهش دما موجب کاهش انتشار آلاینده ها می شود. همچنین نتایج حاصل از پیش بینی چهار سازوکار شیمیایی احتراق مختلف با یکدیگر مطابقت دارند.

تازه های تحقیق

به طور خلاصه نتایج به دست آمده از این مقاله به شرح زیر هستند:

- نتایج به دست آمده از هر چهار سازوکار تطابق خوبی با نتایج تجربی دارند.

- سازوکار GRI 2.11 تطابق بسیار خوبی با سازوکار GRI-3.0 نشان میدهد. بنابراین میتوان از سازوکار GRI-2.11 به دلیل هزینه و زمان کمتر به جای سازوکار GRI-3.0 استفاده کرد. همچنین سازوکار اسکلتال و سازوکار متشکل از 17 گونه دارای دقت تقریبا یکسان در پیشبینی توزیع دما و محصولات احتراقی هستند.

- با افزایش ضریب انتقال گرمای هدایت در پایین دست و ثابت نگه داشتن آن در بالادست، دمای گاز و ماده متخلخل در ناحیه احتراق کاهش و در ناحیه پیش گرمایش افزایش مییابد. کاهش دما در ناحیه احتراق موجب کاهش انتشار آلایندهها میشود.

کلیدواژه‌ها

احتراق

کوره متخلخل

روش حجم محدود

سینتیک شیمیایی

انتقال گرما

عنوان مقاله English

Two- Dimensional Numerical Simulation of Combustion in Porous Burners using for Multi-Steps Kinetics Mechanisms

نویسندگان English

Siyamak Hossainpour ¹

Negin Moallemi Khiavi ²

¹ Faculty of Mechanical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

² Faculty of Mechanical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran

چکیده English

This work reports a two-dimensional numerical modeling of premixed methane/air combustion in porous media. To this end, a Fortran code with CHEMKIN II is used along with its database. This code solves the Navier-Stokes, the solid and gas energy and the chemical species transport equations using finite volume method. The pressure and velocity are coupled with the SIMPLE algorithm. The burner under study is a rectangular one with two different regions: the first region is a preheating zone (low porosity), and the second region is a combustion zone (high porosity). The importance of this work is due to its use of multi-step kinetics for simulating chemical reactions. In addition, the effects of changes in conduction coefficient on temperature profiles, chemical species mass fractions and pollutant emissions are investigated. It has been shown that by increasing conduction coefficient in the downstream of flame, gas and solid temperature will decrease in this zone resulting reduction in pollutant formation. Also predictions using these four different chemical mechanisms correspond to each other.

کلیدواژه‌ها English

: Combustion

Porous media burner

Finite volume method

Multi-step mechanism

Heat transfer

1. Yoshizawa, Y., Sasaki, K., and Echigo, R. “Analytical Study o the Structure of Radiation Controlled Flame,” Int. J. Heat Mass Transfer, 31, pp. 311-319, 1988.

2. Zhou, X. Y., and Pereira, J. C. F., “Numerical Study of Combustion and Pollutions Formation in Inert Non Homogenous Porous Media,” Combustion Science Technology, 130, pp. 335-364, 1997.

3. Tseng, C., “Effects of Hydrogen Addition on Methane Combustion in a Porous Medium Burner,” International Journal of Hydrogen Energy, 27, pp. 699-707, 2002.

4. Barra, A. J., Diepvens, G., Ellzey, J. L., and Henneke, M. R., “Numerical of the Effect of Material Properties on Flame Stabilization in a Porous Burner,” Combustion and Flame, 134, pp. 369-379, 2003.

5. S. Hossainpour, and B. Haddadi, “Numerical Study of the Effects of Porous Burner Parameters on Combustion and Pollutant Formations,” World Congress on Engineering, WCE 2008, London, U.K, pp. 1505-1510, July, 2008.

6. Mohamad, A. A., Ramadhyani, S., and Viskanta, R. “Modeling of Combustion and Heat Transfer in a Packed Bed with Embedded Coolant Tubes,” Int. J. Heat Mass Transfer, 37, pp. 1181-1191, 1994.

7. Bidi, M., Saffar Avval, M., and Heyrani Nobari, M., “A Two-Dimensional Numerical Study of Combustion in Porous Media,” Eurotherm Seminar N ̊ 81 Reactive Heat Transfer in Porous Media, 2007.

8. Farzaneh, M., Ebrahimi, R., Shams, M., and Shafiey, M., “Two-Dimensional Numerical Simulation of Combustion and Heat Transfer in Porous Burners,” Engineering letters, 15, No. 2, EL_15_2_28, 2007.

9. Kee, R. J., Miller, J. A., and Jefferson, T. H., CHEMKIN: A General Purpose Problem Independent, Transportable, Fortran, Chemical Kinetic Program Package, Sandia National Lab. Report, SAND80-8003, 1996.

10. Malico, I., Zhou, X. Y., and Pereira, J. C. F., “Two-Dimensional Numerical Study on Combustion and Pollutants Formation in Porous Burner,” Combust. Sci. and Tech, 152, pp. 57-59, 2000.

11. Vafai, K., Handbook of Porous Media, Taylor & Francis Group, LIC, 2005.

12. Nemoda, S., Trimis, D., and Zivkovich, G., “Numerical Simulation of Porous Burners and Hole Plate Surface Burners,” 8, No. 1, pp. 3-17, 2004.

13. Kee, R. J., Rupley, F. M., and Miller, J. A., The Chemkin Thermodynamic Data Base. Sandia National Laboratories, Rept. SAND-8215B, 1992.

14. Brown, P. N., Byrne, G. D., and Hindmarsh, A. C., “VODE: a Variable Coefficient ODE Solver,” SIAM J. Sci. Stat. Comput., 10, pp. 1038-1051, 1989.

15. Kee, R. J., Dixon-LEWIS, G., Warnatz, J., Coltrin, M. E., and Miler, J. A., “A Fortran Computer Code Package for the Evaluation of Gas Phase Multi-component Transport Properties,” Sandia National Lab. Report SAND 86-8246, 1996.

16. P. Glarborg, N. I. Lilleheie, S. Byggstoyl, B. F. Magnussen, P. Kilpinen, and M. Hupa, “A Reduced Mechanism for Nitrogen Chemistry in Methane Combustion,” 24^th Symposium (International) on Combustion, The Combustion Institute, 24, No. 1, pp. 889-89, 1992.

17. G. P. Smith, D. M. Golden, M. Frenklach, N. W. Moriarty, B. Eiteneer, M. Goldenberg, C. T. Bowman, R. K. Hanson, S. Song, W. C. Gardiner Jr., V. Lissianski, and Z. Qin, available at: http://www.me.berekeley.edu/gri_mech

18. F. Durst, and D. Trimis, “Compact Porous Medium Burner and Heat Transfer Exchanger for Household Applications,” EC project report, Contact no. JOEC-CT95-0019, 1996.