عنوان پایان‌نامه
مطالعه عددی اختلاط و احتراق در یک محفظه احتراق گردابه‌ای
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3373;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77246;کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3373;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 77246
- تاریخ دفاع
- ۲۸ شهریور ۱۳۹۵
- دانشجو
- رضا شریف زاده
- استاد راهنما
- اصغر افشاری
- چکیده
- محفظه احتراق گردابه ای یک گردابه متشکل از سوخت و هوای در حال احتراق را در یک حفره نگه میدارد که این گردابه داغ به عنوان یک منبع اشتعال برای جریان اصلی عمل می کند. این نحوه پایدارسازی شعله باعث می شود که محفظه احتراق بتواند در رژیم های پیش آمیخته رقیق بدون خاموشی شعله به عملکرد خود ادامه دهد. در این پژوهش فرآیندهای اختلاط و احتراق در یک محفظه احتراق گردابه ای صفحه ایِ دارای جت سوخت و هوا در داخل حفره مورد تحلیل و بررسی قرار می گیرد. برای مدل سازی آشفتگی جریان از روش شبیه سازی گردابه های بزرگ و برای مدل سازی احتراق از روش تابع توزیع جرمی فیلترشده استفاده می شود. معادلات بقای انرژی و اسکالر کسر جرمی سوخت با استفاده از روش های اویلری تفاضل محدود و لاگرانژی مونت کارلو مورد تحلیل قرار می گیرند و سازگاری بین این دو روش مورد ارزیابی واقع می شود. به منظور صحه گذاری روش عددی، جریان غیراحتراقی در داخل یک حفره مستطیلی بدون جت مورد تحلیل قرار گرفته است و نتایج آن با نتایج تجربی اعتبارسنجی شده است. ارزیابی ها نشان می دهند که بین نتایج روش اویلری و لاگرانژی برای جریان اختلاطی غیرواکنشی، سازگاری 8/99 درصد و برای جریان احتراقی واکنشی، سازگاری 7/98 درصد وجود دارد. در این پژوهش به منظور بهینه سازی اختلاط هوا و سوخت در داخل حفره ابتدا موقعیت های نسبی تزریق هوا و سوخت تغییر داده می شود. ارزیابی اختلاط هوا و سوخت برای حالت های مختلف نشان می دهد که کیفیت اختلاط بیشتر تابع محل تزریق هوا می باشد. به این صورت که هرچه محل تزریق هوا بالاتر باشد، کیفیت اختلاط بهتر است. در مرحله بعد نسبت طول حفره به ارتفاع آن بر روی کارایی اختلاط مورد بررسی قرار می گیرد. نتایج بر این دلالت دارند که برای L/Dهای پایین (6/0 تا 85/0) گردابه داخل حفره پایدار است، ولی اختلاط جریان حفره و جریان اصلی به خوبی صورت نمی گیرد. در صورتی که L/D نزدیک به 0/1 باشد، اختلاط خوبی بین جریان حفره و جریان اصلی صورت می گیرد و گردابه نیز پایدار می باشد. بررسی نتایج جریان واکنشی برای این محفظه احتراق نشان می دهد که بازدهی کلی احتراق 54 درصد است، در حالی که بازدهی برای محفظه احتراق با حفره بدون جت 37 درصد می باشد. واژه‌های کلیدی: محفظه احتراق گردابه ای، شبیه سازی عددی، شبیه سازی گردابه های بزرگ، تابع توزیع جرمی فیلترشده، اختلاط هوا و سوخت
- Abstract
- The trapped vortex combustor (TVC) maintains a hot vortex close to the main combustor ports. This serves as a pilot to the main flame and enables the combustor to maintain a stable combustion over wide ranges of operating premixing ratios. In the present work mixing and combustion of air and fuel is numerically investigated in a planar TVC. An Eulerian-Lagrangian mathematical/computational methodology is employed for large-eddy simulation (LES) and detailed study of turbulent mixing in TVC configuration. A high-order multiblock finite difference (FD) computational algorithm is used to solve the Eulerian velocity and pressure equations in a generalized coordinate system. The composition field, describing the mixing, is obtained from the filtered mass density function (FMDF) and its stochastic Lagrangian Monte-Carlo (MC) solver. The consistency of the FD and MC parts of the hybrid LES/FMDF model is established for the simulated TVC in various conditions, indicating the numerical accuracy of the model. The reliability of numerical methods is surveyed by analysis of a non-reacting turbulent cavity flow. Results show good agreement with the available experimental data. Evaluation of consistency of FD and MC numerical methods shows that correlation coefficient for non-reacting flow is 99.8% and for the reacting flow is 98.7%. At this study relative positions of fuel and air injection is altered for optimization of fuel-air mixing in the cavity and mainstream flow. The results show that the mixing efficiency mainly depends on fuel jet position. That is an upper fuel jet position results in higher mixing efficiency. At the next step, effect of length to depth (L/D) ratio of the cavity on mixing performance is investigated. The results bode that for lower L/D’s (0.6-0.85) the vortex within the cavity is stable, but there is not a high quality mixing between the cavity and mainstream flow. If this ratio get closer to 1.0, a good mixing between the cavity and mainstream flow is created and the vortex will be stable. The reacting flow results show that the overall combustion efficiency is 54%, while for a non-jet TVC with the same fuel and air mass flow rates, the overall combustion efficiency is 37%. Keywords: trapped vortex combustor, numerical simulation, large-eddy simulation, filtered mass density function, fuel-air mixing
