سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

شبیه ­سازی عددی متغیرهای موثر بر پایداری احتراق مخلوط استوکیومتریک پیش اختلاط متان- هوا در یک محفظة احتراق میکرو

نویسندگان
جلال زروندی
صادق تابع جماعت
محمدرضا بیگ محمدی
دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی امیرکبیر،تهران،ایران
چکیده
در مطالعة حاضر مدلسازی عددی احتراق جریان کاملا آرام، استوکیومتریک پیش اختلاط متان-هوا در یک محفظة احتراق دو بعدی در ابعاد میکرو بررسی شده است. هدف از این مطالعه بررسی چگونگی وقوع، پدیده شناسی و متغیرهای موثر از قبیل پایداری شعله بر نحوة احتراق در تجهیزات MEMS جهت تولید انرژی یا نیروی پیشران در ابعاد کوچک جهت کاربردهای هوافضایی برای اکتشافات فضائی است. نتایج به دست آمده از این مطالعه نشان می ­دهند که پایداری شعله در داخل یک محفظة احتراق میکرو به مقدار زیادی به مقادیر ضخامت دیوارة محفظة احتراق و ضریب رسانایی گرمایی دیواره، عرض (ارتفاع) محفظة احتراق، ضریب انتقال گرمای جابه­ جایی بین دیوارة بیرونی محفظة احتراق و محیط اطراف و سرعت ورودی مواد واکنش دهندة پیش مخلوط وابسته است.

تازه های تحقیق

در این مطالعه، متغیرهای موثر بر ایجاد و پایداری احتراق مخلوط پیش اختلاط متان- هوا در یک محفظة احتراق دوبعدی در قالب شبیه‌سازی عددی مورد بررسی و تجزیه تحلیل قرار گرفته­اند. در این بررسی اثرات پیش‌گرمایش غیر مستقیم مخلوط پیش اختلاط ورودی توسط دیواره­های محفظه احتراق میکرو، سرعت ورودی مواد واکنش دهنده، ضخامت دیوارة محفظة احتراق، ضریب رسانایی گرمایی هدایتی دیوارة محفظة احتراق و ضریب انتقال گرمای جابه­جایی دیوارة خارجی محفظة احتراق میکرو بر توزیع دما و محل شعله در داخل یک محفظة احتراق میکروی دو بعدی مورد بحث و بررسی قرار گرفته است. در این مطالعه تمرکز بیشتر بر روی اثر دیوارة محفظة احتراق در پایداری و مشخصات شعله است و متغیرهای دیگر مانند تغییر میزان نسبت هم­ارزی و یا افزایش تعداد واکنش­های شیمیایی و ... بررسی نشده‌اند. در مجموع نتایج به دست آمده از این مطالعه نشان می­دهند که پایداری شعله در یک محفظة احتراق میکرو به مقدار زیادی به مقادیر ضخامت و ضریب رسانایی گرمایی دیواره، عرض محفظة احتراق، ضریب انتقال گرمای رسانایی جابه­جایی دیوارة بیرونی محفظة احتراق و سرعت ورودی مواد واکنش دهندة پیش مخلوط وابسته است. به طوری که افزایش ضخامت دیواره و ضریب رسانایی گرمایی دیواره به دلیل ایجاد تسهیل در مسیر انتقال گرما از ناحیة پس شعله به ناحیة پیش­گرم، موجب بهبود شرایط احتراق در داخل محفظة احتراق می‌شوند. البته تاثیر مثبت این تغییرات با توجه به کاربرد محفظة احتراق میکرو متغیر خواهد بود به طوری که در محفظه­های احتراق میکرو ترموفوتوولتائیک به دلیل نیاز به کاهش گرادیان دمایی بین محفظة احتراق و سطوح خارجی محفظة و همچنین جلوگیری از خنک شدن سریع دیواره به دلیل انتقال گرمای جابه­جایی بین دیوارة خارجی محفظة و محیط اطراف، افزایش بیش از حد ضخامت دیوارة محفظة احتراق و ضریب رسانایی گرمایی دیوارة محفظة احتراق مطلوب نیست. از سوی دیگر افزایش عرض محفظة احتراق و ضریب انتقال گرمای جابه­جایی بین دیوارة خارجی محفظة احتراق و محیط اطراف سبب کاهش و تضعیف پایداری احتراق در داخل یک محفظة احتراق میکرو می­شوند.

کلیدواژه‌ها
محفظه احتراق میکرو
پیش اختلاط
متان
هوا
پایداری شعله

عنوان مقاله English

Numerical Simulation of the Effective Parameters on the Stability of Stoichiometric CH4/Air Premixed Combustion in a Micro-combustion Chamber

نویسندگان English

Jalal Zarvandi
Sadegh Tabejamaat
Mohammad Reza Baig Mohammadi
Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In the present study, numerical modeling of the combustion of a fully laminar stoichiometric premixed reactive flow of methane-air inside a 2D micro-combustion chamber was investigated. The aim of this study is the investigation of occurance, phenomenology and effective parameters such as flame stability on combustion process in MEMS devices for energy or propulsion generation on small scales for space exploration applications. The results show that flame stability in a micro- combustion chamber strongly depends on the combustion chamber wall thickness Lw, the combustion chamber wall thermal conductivity coefficient Kw, the combustion chamber width L, the outer wall convective heat transfer coefficient hout and reactive mixture velocity Vin .

کلیدواژه‌ها English

Micro-combustion chamber
Premixed
Methane
Air
Flame stability
Waitz, I. A., Gauba, G., and Tzeng, Y. S., “Combustors for Micro-Gas Turbine Engines,” Journal of Fluids Engineering, 120, pp. 109-117, 1998.
Chuan chia, L., and Feng, B., “The Development of a Micro Power (Micro-Thermo Photovoltaic) Device,” Journal of Power Sources, 165, pp. 455-480, 2007.
Norton, D. G., and Vlachos, D. G., “A CFD Study of Propane/Air Micro Flame Stability,” Combustion and Flame, 138, pp. 97-107, 2004.
Pan, J. F., Huang, J., Li, D. T., Yang, W. M., Tang, W. X., and Xue, H., “Effects of Major Parameters on Micro-Combustion for Thermo Photovoltaic Energy Conversion,” Journal of Applied Thermal Engineering, 27, pp. 1089-1095, 2007.
Kamali, R., Binesh, A. R., and Hossainpour, S., “Numerical Simulation of Wall Treatment Effects on the Micro-Scale Combustion,” Proceedings of World Academy of Science, Engineering and Technology, 26, pp. 444-451, December, 2007.
Leach, T. T., and Cadou, C. P., “The Role of Structural Heat Exchange and Heat Loss in the Design of Efficient Silicon Micro-Combustors,” Proceedings of the Combustion Institute, 30, pp. 2437-2444, 2005.
Kim, K. T., Lee, D. H., and Kwon, S., “Effects of Thermal and Chemical Surface-Flame Interaction on Flame Quenching,” Combustion and Flame, 146, pp.19-28, 2006.
Kim, N. I., and Maruta, K., “A Numerical Study on Propagation of Premixed Flames in Small Tubes,” Combustion and Flame, 146, pp. 283-301, 2006.
Hua, J., Wu, M., and Kumar, K., “Numerical Simulation of the Combustion of Hydrogen-Air Mixture in Micro-Scale Chambers. Part I: Fundamental study,” Journal of Chemical Engineering Science, 60, pp. 3497-3506, 2005.
Li, Z. W., Chou, S. K., Shu, C., Xue, H., and Yang, W. M., “Characteristics of Premixed Flame in Micro Combustors with Different Diameters,” Journal of Applied Thermal Engineering, 25, pp. 271-281, 2005.
Junwei, L., and Beijing, Z., “Experimental Investigation on Heat Loss and Combustion in Methane/Oxygen Micro-Tube Combustor,” Journal of Applied Thermal Engineering, 27, Issue 7, pp. 707-716, 2008.
Norton, D. G., and Vlachos, D. G., “Combustion Characteristics and Flame Stability at the Micro Scale: a CFD Study of Premixed Methane/Air Mixtures,” Chemical Engineering Science, 58, pp. 4871-4882, 2003.
Yang, W. M., Chou, S. K., Shu, C., Li, Z. W., and Xue, H., “Experimental Study of Micro-Thermo Photovoltaic Systems with Different Combustor Configurations,” Journal of Energy Conversion and Management, 48, pp. 1238-1244, 2007.
Li, J., Chou, S. K., Huang, G., Yang, W. M., and Li, Z. W., “Study on Premixed Combustion in Cylindrical Micro Combustors: Transient Flame Behavior and Wall Heat Flux,” Journal of Experimental Thermal and Fluid Science, 33, pp. 764-773, 2009.
Li, J., Chou, S. K., Yang, W. M., and Li, Z. W., “A Numerical Study on Premixed Micro Combustion of CH4-Air Mixture: Effects of Combustor Size, Geometry and Boundary Conditions on Flame Temperature,” Chemical Engineering Journal, 150, pp. 213-222, 2008.
Cao, H. L., and Xu, J. L., “Thermal Performance of a Micro-Combustor for Micro-Gas Turbine System,” Journal of Energy Conversion and Management, 48, pp. 1569-1578, 2007.
Borman, G. L., and Ragland, K. W., Combustion Engineering, McGraw-Hill, New York, 1998.
McGee, H. A., Molecular Engineering, McGraw-Hill, New York, 1991.
Westbrook, C. K., and Dryer, F. L., “Simplified Reaction Mechanisms for the Oxidation of Hydrocarbon Fuels in Flames,” Combustion Science and Technology, 48, pp. 31-43, 1981.
Raimondeau, S., Norton, D. G., Vlachos, D. G., and Masel, R. I., “Modeling of High-Temperature Microburners,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, pp. 901-907, 2002.
Kaisare, N. S., and Vlachos, D. G., “Optimal Reactor Dimensions for Homogeneous Combustion in Small Channels,” Journal of Catalysis Today, 120, pp. 96-106, 2007.
Yang, W. M., Chou, S. K., Shu, C., Xue, H., Li, Z. W., Li, D. T., and Pan, J. F., “Microscale Combustion Research for Application to Micro Thermo Photovoltaic Systems,” Energy Conversion and Management, 44, pp. 2625-2634, 2003.
Kaisare, N. S., and Vlachos, D. G., “Extending the Region of Stable Homogeneous Micro-Combustion Through Forced Unsteady Operation,” Proceedings of the Combustion Institute, 31, pp. 3293-3300, 2007.
Yang, W. M., Chou, S. K., Shu, C., Xue, H., and Li, Z. W., “Effect of Wall Thickness of Micro-Combustor on the Performance of Micro-Thermo Photovoltaic Power Generators,” Journal of Sensors and Actuators A, 119, pp. 441-445, 2005.
Yang, W. M., Chou, S. K., Shu, C., Li, Z. W., and Xue, H., “Combustion in Micro-Cylindrical Combustors with and without a Backward Facing Step,” Journal of Applied Thermal Engineering, 22, pp. 1777-1787, 2002.
 
 
سوخت و احتراق
دوره 3، شماره 2 - شماره پیاپی 6
6
تابستان 1389
صفحه 31-45