سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

پاسخ شعله پیش مخلوط Vشکل و Mشکل به تحریک آکوستیکی

نویسندگان
دانشکده مهندسی هوافضا ،دانشگاه صنعتی شریف،تهران،ایران
چکیده
بررسی تجربی حاضر به مطالعه پاسخ شعله­ های پیش‌مخلوط آرام V-شکل و M-شکل به نوسانات آکوستیکی پرداخته است. به طور کلی محفظه­ های احتراقی که در آن­ها شعله V-شکل تشکیل می­ شود نسبت به ناپایداری احتراق حساس هستند. شعله­ های V-شکل بر روی میله مرکزی مشعل تشکیل می­ شوند و شعله­ های M-شکل به میله مرکزی مشعل و لبه لوله مشعل می­ چسبند. این بر خلاف شعله ­های مخروطی است که فقط به لبه لوله مشعل می­ چسبند. به همین دلیل شعله­ های V-شکل و M-شکل در مقایسه با شعله­ های مخروطی حساسیت بیشتری به نوسانات جریان نشان می ­دهند. در مطالعه حاضر برای تشکیل شعله­ های پیش‌مخلوط V-شکل و M-شکل از مخلوط پروپان- هوا استفاده شده است. در ابتدا با تغییر نسبت هم­ ارزی سوخت- هوا، محدوده ­های مناسب نسبت هم­ ارزی برای تشکیل شعله­ های پایدار V-شکل و M-شکل تعیین شد. نتایج اولیه نشان داد که شعله M-شکل در مقایسه با شعله V-شکل در بازه محدودتری از نسبت هم ­ارزی به صورت پایدار تشکیل می ­شود. سپس برای مطالعه پاسخ شعله به نوسانات آکوستیک از یک بلندگو جهت تولید امواج آکوستیکی با دامنه ثابت در بازه معینی از تواتر­های (Frequency) تحریک استفاده شد و نوسانات فشار شعله تحریک شده در پایین دست جریان توسط یک میکروفون اندازه ­گیری شد. تصاویر مربوط به نوسانات سطح شعله تحریک شده توسط یک دوربین سرعت بالا (CCD Camera) ثبت شد و با استفاده از قابلیت ­های پردازش تصویر در نرم‌افزار MATLAB دامنه و فاز پاسخ شعله محاسبه شد. همچنین تغییرات شکل شعله و شدت نور آن، در طول یک دوره تناوب، برای مقادیر مختلف نسبت هم ­ارزی و دبی جریان بررسی شد. نتایج این مطالعه نشان می­ دهد که نوسانات سرعت و نحوه تولید و انتشار گردابه‌ها نقش مهمی در پاسخ شعله به نوسانات آکوستیکی دارند. همچنین فاز تابع پاسخ شعله نسبت به تغییرات تواتر تحریک رفتاری شبه- خطی دارد. این امر بیانگر آن است که تاخیر زمانی مربوط به نوسانات گرمای آزاد شده نسبت به نوسانات تحریک شعله مقداری معین است. به عبارتی دیگر نوسانات آکوستیک همواره پس از مدت زمانی معین به سطح شعله می­ رسند. نتایج مربوط به بهره پاسخ شعله نیز نشان می­ دهد که شعله در محدوده معینی از تواتر­های تحریک آکوستیک به تغییرات نسبت ­هم ­ارزی حساس­تر است. با بررسی رفتار شعله در یک دوره تناوب می­ توان محدوده زمانی مربوط به بیشینه گرمای آزاد شده از شعله را تعیین کرده و تاثیر متغیرهای غیرخطی در پاسخ شعله را بررسی کرد.

تازه های تحقیق

در مطالعه حاضر اثر نوسانات آکوستیک بر روی پاسخ شعله­های V-شکل و M- شکل با فرض ثابت بودن سرعت شعله بررسی شده است. نتایج مربوط به تعیین محدوده پایداری شعله V-شکل و M-شکل نشان می­دهد که شعله M محدوده پایداری کمتری نسبت به شعله V دارد. این امر مانع از انجام آزمایش­های تحریک آکوستیک روی شعله M- شکل در نسبت­­های         هم­ارزی پایین ( 0.9>f1 )  می­شود. به عبارتی دیگر شعله V- شکل در محدوده وسیع­تری از نسبت هم­ارزی پایدار می­ماند.

گردابه‌های حاصل از نوسانات سرعت در شرایط اعمال تحریک آکوستیکی، در محدوه مشخصی از تواتر تحریک، دارای اثراتی دوگانه بر روی شعله هستند. این گردابه­ها از یک طرف باعث افزایش سطح شعله می­شوند و از طرف دیگر در برخی حالت­ها به دلیل برخورد با لبه‌های شعله باعث خاموشی موضعی شعله می­شوند. نوسانات آکوستیکی نیز باعث تغییر شکل شعله شده و نرخ گرمای آزاد شده را تغییر می‌دهند. در صورت کوپل شدن این نوسانات گرما با نوسانات آکوستیکی موجود در محفظه سطح نوسانات افزایش می­یابد و این می­تواند موجب بروز ناپایداری احتراق در محفظه­های محبوس شود.

نتایج بهره پاسخ شعله نشان می­دهد که در محدوده پایین تواتر­های تحریک شعله­ها در مقابل تغییرات نسبت ­هم­ارزی حساسیت بیشتری دارند. همچنین رابطه خطی فاز پاسخ شعله با تواتر تحریک، حاکی از وجود تاخیر فازی معین بین نوسانات آکوستیک اعمالی به شعله و نوسانات گرماست. در بازه‌ای از تواتر‌ها، شعله­های V- شکل و M- شکل مانند تقویت کننده عمل می­کنند که این نشان دهنده حساس بودن این شعله­ها نسبت به نوسانات است. دلیل این حساسیت در شعله M- شکل آن است که لایه­های مجاور شعله با یکدیگر اندرکنش سریع داشته و باعث می­شوند که نرخ گرمای آزاد شده دستخوش تغییرات شدید شود. به کمک تابع پاسخ شعله که از محاسبه نسبت نوسانات گرما بر نوسانات فشار به دست آمده می­توان تا حدودی شرایط ناپایداری را پیش‌بینی کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

V-Shaped and M-Shaped Premixed Flame Response to Acoustic Excitations

نویسندگان English

Roozbeh Riazi
Negar Nabatian
Mohammad Farshchi
Department of Aerospace Engineering, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

An experimental study was conducted on the response of V-shaped and M-shaped premixed flames to external acoustic excitation. Low emission premixed combustors with anchored V-flames are susceptible to combustion instabilities. V-flames attach to an anchoring rod at the centre of the burner, whereas M-flames attach to the anchoring rod as well as the burner rim. This is in contrast to conical flames which are anchored only on the burner rim. As a consequence, V- and M-shaped flames are more sensitive to external flow perturbations. In the present study, a mixture of propane-air was used. The mixture equivalence ratio was changed to determine the stability range of V- and M-shaped premixed flames. The results indicated that M-shaped flames have a narrower stability range compared to that of V- flames. This limited the equivalence ratios range for acoustic excitation experiments. In order to study the flame response to external acoustic excitations, a loud speaker was placed upstream of the flame to generate acoustic waves in a certain range of frequencies. Pressure fluctuations caused by the acoustically excited flame were measured by a microphone placed downstream of the burner. Flame imaging was done with a CCD high speed camera during acoustic excitations. These images were used for flame response determination. Image processing was accomplished using the MATLAB software to obtain the amplitude and phase of the flame response. Variations of the flame shape and the intensity of light emitted by the flame were examined during a period of excitation for various values of equivalence ratios and flow rates. The results indicated that the vortex shedding and roll-up due to the velocity perturbations play an important role on the flame response. The phase response of flames evolves quasi-linearly with excitation frequency, indicating a certain time delay for the fluctuations to reach the flame surface. Also, in a certain range of excitation frequency, the flame gain response exhibits more sensitivity to variation of the equivalence ratio. Observations of the V- flame behavior during a period of excitation have led to determination of the effects of nonlinear parameters on the flame response.

کلیدواژه‌ها English

V-shaped flame
M-shaped flame
Flame response function
Equivalence ratio
1.     Broda, J. C., Seo S., Santoro, R. J., Shirhattikar, G., and Yang, V., “An Experimental Study of Combustion Dynamics of a Premixed Swirl Injector,” Proceedings of the Combustion Institute, 27, pp. 1849-1856, 1998.
2.     Candel, S., “Combustion Dynamics and Control: Progress and Challenges,” Proceedings of the Combustion Institute, 29, pp. 1-28, 2002.
3.     Dowling, A. P., and Stow, S. R., “Acoustic Analysis of Gas Turbine Combustors,” Journal of Propulsion and Power, 19, No. 5, pp. 751-764, 2003.
4.     Ducruix, S., Schuller, T., Durox, D., and Candel, S., “Combustion Dynamics and Instabilities: Elementary Coupling and Driving Mechanisms,” Journal of Propulsion and Power, 19, No. 5, pp. 722-734, 2003.
5.     Bellows, B. D., and Lieuwen, T., “Nonlinear Response of a Premixed Combustor to Forced Acoustic Oscillations,” AIAA-2004-0455, 2004.
6.     Schuller, T., Durox, D., and Candel, S., “Self-Induced Combustion Oscillations of Laminar Premixed Flames Stabilized on Annular Burners,” Combustion and Flame, 135, pp. 525-537, 2003.
7.     Birbaud, A. L., Durox, D., and Candel, S., “Upstream Flow of a Laminar Premixed Conical Flame Submitted to Acoustic Modulations,” Combustion and Flame, 146, pp. 541-552, 2006.
8.     Durox, D., Schuller, T., Noiray, N., and Candel, S., “Experimental Analysis of Nonlinear Flame Transfer Functions for Different Flame Geometries,” Proceedings of the Combustion Institute, 32, pp. 1391-1398, 2009.
9.      Preetham, S. H., “Modeling the Response of Premixed Flames to Flow Disturbances,” Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA, 2007.
10. Lieuwen, T., “Investigation of Combustion Instability Mechanisms in Premixed Gas Turbines,” Ph.D. Thesis, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA, 1999.
11. Balachandran, R., Ayoola, B. O., Kaminski, C. F., Dowling, A. P., and Mastorakos, E., “ Experimental Investigation of the Nonlinear Response of Turbulent Premixed Flames to Imposed Inlet Velocity Oscillations,” Combustion and Flame, 143, pp. 37-55, 2005.
12. Birbaud, A. L., Durox, D., Ducruix, S., and Candel, S., “Dynamics of Confined Premixed Flames Submitted to Upstream Acoustic Modulations,” Proceedings of the Combustion Institute, 31, pp. 1257-1265, 2007.
13. Farshchi, M., and Riazi, R., “Premixed V-shaped Flame Response to Equivalence Ratio Perturbations: Investigations on the Flame Kinematics,” Proceeding of the 7th Iranian Aerospace Society Conference, Sharif University of Technology, Tehran, Iran, 2008.
14. Riazi, R., and Farshchi, M., “An Investigation on Laminar Premixed M-shaped Flame Response to Velocity Oscillations,” Proceeding of 16th International Conference on Mechanical Engineering-ISME2008, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran, 2008.