عنوان پایان‌نامه
شبیه سازی گردابه های بزرگ جریان جت واکنشی در جریان متقاطع
- رشته تحصیلی
- مهندسی مکانیک تبدیل انرژی
- مقطع تحصیلی
- دکتری تخصصی PhD
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی پردیس 2 فنی شماره ثبت: 3030;کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 69954
- تاریخ دفاع
- ۲۲ شهریور ۱۳۹۴
- دانشجو
- مصطفی اسماعیلی
- استاد راهنما
- اصغر افشاری
- چکیده
- اختلاط جریان مغشوش، یکی از دغدغه‌های مهم مهندسان و محققان در زمینه‌های متفاوت کاربردی و تحقیقاتی می‌باشد. در نتیج? قابلیت بالا در اختلاط سریع و موثر، پیکربندی جت در جریان متقاطع مکرراً در سیستم‌های صنعتی و زیست محیطی به منظور دستیابی به اختلاط بهتر جریان‌ها، مورد استفاده قرار می‌گیرد. این پیکربندی جریان، دربردارنده شکل‌های متنوع و پیچیده‌ای از ساختارهای گردابی در ناحیه اطراف جت و نیز در پایین دست جریان (ناحیه دور از جت) بوده که میزان اختلاط، شروع اشتعال و احتراق را کنترل می‌کنند. با کنترل کردن نحوه تکامل و شکل‌گیری جت در ناحیه نزدیک جت و ساختارهای گردابی متاثر از آن در ناحیه دوردست جت، امکان بهبود اختلاط در جریان بوجود می‌آید. همچنین بهبود اختلاط بین جت و جریان متقاطع در شرایط واکنشی باعث افزایش راندمان احتراق می‌گردد. مطالعه حاضر بر شبیهسازی گردابه‌های بزرگ جت در جریان متقاطع مغشوش تحت شرایط احتراقی و غیر احتراقی تمرکز دارد. اهداف اصلی این مطالعه عبارتند از: 1- توسعه یک چارچوب عددی با کارایی بالا برای حل مسائل احتراقی و غیر احتراقی مغشوش؛ 2- دستیابی به یک درک عمیق از مکانیزم‌های فیزیکی حاکم بر رفتار جت‌های متقاطع؛ 3- ارزیابی فرآیند اختلاط و عوامل مؤثر بر آن در این پیکربندی؛ 4- بررسی اثرات نسبت دما و چگالی جت به جریان متقاطع بر ساختارها و اختلاط در این پیکربندی در حالت غیرهمدما؛ 5- بررسی نقش میدان جریان پیچیده جت در جریان متقاطع مغشوش، بر روی مکانیزم اختلاط سریع سوخت و اکسید و آیرودینامیک پایداری شعله در ناحیه اطراف جت. به منظور برآورده ساختن این اهداف، یک روش ترکیبی ریاضیاتی- محاسباتی اویلری- لاگرانژی برای شبیهسازی گردابه‌های بزرگ (LES) جت واکنشی در جریان متقاطع توسعه داده شده است. فرمول‌بندی جریان مغشوش بر اساس مدل‌های استاندارد تنش زیرشبکه بوده و فرمول‌بندی احتراق زیرشبکه بر اساس روش تابع چگالی جرمی فیلتر شده(FMDF) و معادلات لاگرانژی آماری هم ارز آن است. مدل FMDF بر اساس مدل تابع چگالی احتمال برای جریان‌های با چگالی متغیر ارائه گردیده و در آن ترم چشمه مربوط به واکنش‌های شیمیایی نیاز به مدل‌سازی نداشته و به صورت مستقیم محاسبه می‌شود. با این حال اثرات مقیاس‌های تصویر‌نشده جریان مغشوش و اختلاط زیرشبکه مدل‌سازی می‌شوند. با توجه به پاسخ فرکانسی بسیار خوب روش تفاضلی فشرده و قابلیت مناسب این روش در حل با دقت بالای جریانات تراکم‌پذیر، از این روش برای حل معادلات اویلری، فیلترشده و سه‌بعدی ناویر-استوکس در مختصات جامع منحنی الخط در یک شبکه چند بلوکی استفاده شده است. در ضمن به منظور حل معادلات FMDF، روش لاگرانژی مونت کارلو مورد استفاده قرار گرفته است. جفت شدن این حلگر لاگرانژی با حلگر اویلری، چندبلوکی و مرتبه بالا تفاضل محدود، امکان تعمیم روش LES/FMDF را برای سیستم مختصات جامع و هندسه‌های پیچیده فراهم کرده است. به منظور اعتبارسنجی روش عددی، ابتدا نتایج عددی حاصل از جریان غیر واکنشی و واکنشی پیش‌آمیخته بر روی پله در فضای محدود و نامحدود، با نتایج آزمایشگاهی مقایسه گردید و انطباق بسیار خوبی بین نتایج عددی و آزمایشگاهی مشاهده شد. در ضمن کارایی و ضعف مدل‌های مختلف زیرشبکه (اسماگورینسکی، MKEV، DSM و WALE) ارزیابی گردید و نتایج نشان داد که مدل‌های DSM و WALE، مشخصات و جلوه‌های جریان روی پله را با دقت بیشتری پیش‌بینی کرده‌اند. در ادامه نتایج عددی حاصل از پیکربندی جت در جریان متقاطع برای حالت‌های واکنشی و غیر واکنشی هم‌دما و غیر هم‌دما، با پنج مطالعه آزمایشگاهی معتبر به صورت جامع مقایسه شد. نتایج عددی نشان داد که روش ترکیبی LES/FMDF با دقت مناسب، مشخصات و ویژگی‌های جت در جریان متقاطع را در حالت غیر واکنشی (هم‌دما و غیرهمدما) و حالت واکنشی (احتراق غیر پیش‌آمیخته) به صورت عددی باز‌تولید می‌کند. ضمناً سازگاری، همگرایی و دقت روش ترکیبی LES/FMDF از طریق مقایسه میدا‌ن‌های دما، غلظت و چگالی در حالات واکنشی و غیر واکنشی بدست آمده از دو حلگر اویلری و لاگرانژی اثبات گردید. نتایج نشان می‌دهد که هر دو حلگر تفاضل محدود و مونت-کارلو قابل اعتماد و دقیق بوده‌اند. نتایج بدست آمده و تحلیل آنها علاوه بر ارائه درک بهتر از پدیده‌های حاکم بر پیکربندی جت در جریان متقاطع، اطلاعات مناسبی را در مورد اختلاط بهینه جت با جریان متقاطع در محفظه‌های احتراق توربین‌های گازی می‌دهد. بدین‌منظور، برای بررسی کارایی اختلاط جت و جریان متقاطع، اثر تغییر شرایط جت ( پروفیل جت و رفتار ضربانی) برای رسیدن به شرایط بهینه بررسی گردید و نتایج نشان داد که در اعداد کوچک استروهال می‌توان شرایط بهینه‌ای برای اختلاط بدست آورد. همچنین اثر نسبت دمای جت به جریان متقاطع بر مشخصات جریان نشان داد که با خنک کردن جت و یا گرم کردن جریان متقاطع، اختلاط جت و جریان متقاطع و عمق نفوذ جت بهبود می‌یابند. نتایج شبیهسازی جریان واکنشی نشان می‌دهد که در اثر انبساط حاصل از آزاد شدن گرما در جریان واکنشی، جت واکنشی دارای عمق نفوذ بالاتری نسبت به جت غیر واکنشی است. همچنین با ورود جت سوخت به داخل جریان متقاطع و اندرکنش با آن، شعله پخشی ایجاد می‌شود که دارای دو شاخه است. یکی از این شاخه‌ها در سمت پادپناه جت تشکیل شده و شاخه دیگر از مشخصات هندسی و ساختارهای به هم مرتبط جریان جدا شده است. با افزایش سرعت جت سوخت ورودی به جریان متقاطع، ناحیه چرخشی در سمت پادپناه جت بزرگتر شده و امکان احتراق پایدار فراهم می‌شود. اختلاط جت با جریان متقاطع و کارایی احتراق نیز با افزایش سرعت جت بهبود یافت. واژه‌های کلیدی: جت در جریان متقاطع- محفظه احتراق توربین گازی - روش LES/FMDF - جریان روی پله- احتراق پیش آمیخته و غیر پیش آمیخته
- Abstract
- Turbulent mixing has long been considered as one of the main concerns of engineers and researchers in different disciplines. Due to its efficient and fast mixing capability, jet in crossflow (JICF) configuration is frequently employed in industrial and environmental systems to achieve more efficient mixing. These flow configurations are characterized by complex vortical structures that control mixing, ignition, and combustion. Present study focuses on the large eddy simulation (LES) of turbulent JICF under both reacting and non-reacting conditions. The primary objectives are: 1) to establish an efficient numerical framework for treatment of reacting and non-reacting flows; 2) to deepen an understanding of the physical mechanism governing the behavior of transverse jets; 3) to explore the mixing processes in such flows; 4) to study the effects of jet to crossflow temperature on flow structures of the non-isothermal JICF; and 5) to investigate role of the complex JICF turbulent flow field in the mechanism of fast fuel-oxidant mixing and of aerodynamic flame stabilization in the near field of the jet nozzle. For these purposes, a hybrid Eulerian–Lagrangian, mathematical/computational methodology is developed. The formulation for turbulence is based on the standard subgrid-scale stress (SGS) models. The formulation for subgrid-scale combustion is based on the filtered mass density function (FMDF) and its equivalent stochastic Lagrangian equations. FDMF is a probability density function (PDF) based SGS model for variable density flow in which the effects of reaction is closed but those of the unresolved turbulent motion and subgrid mixing are modeled. A high-order compact finite difference (FD) multi-block method is used to solve the three-dimensional, compressible Eulerian filtered Navier–Stokes equations in a generalized coordinate system. Also, a Lagrangian Monte Carlo (MC) method is used to solve the equivalent stochastic differential equations (SDEs) of the FMDF method. This Lagrangian scheme coupled with high-order multi-block flow solver, allows LES/FMDF to be extended to general coordinate systems. In order to validate numerical methodology, first, the turbulent non-reacting and reacting premixed methan/air flow over backward facing step (BFS) in confined and unconfined environment are simulated. The obtained results are compared with the available experimental data and a good agreement is found. Among the investigated turbulent SGS models (Smagorinsky model in static and dynamic forms, MKEV and WALE), dynamic Smagorinsky and WALE models showed the best agreement with the experimental data. Then, in detail, the numerical results for turbulent JICF in non-reacting (isothermal and non-isothermal) and reacting conditions is compared with the existing experimental data. The LES/FMDF results are shown to be in good agreement with the available experimental data, confirming the reliability of LES/FMDF method for numerical simulation of turbulent mixing and chemical reaction in complex flow configurations. The consistency of the Eulerian and Lagrangian parts of LES/FMDF is established for reacting and non-reacting (isothermal and non-isothermal) JICFs. It is demonstrated that the instantaneous and averaged scalar concentration and temperature fields as obtained from LES-FD and FMDF-MC data are very similar, confirming that both methods are numerically accurate and indeed quite reliable. The numerical simulations are shown to accurately predict the important flow features present in JICF such as the counter-rotating vortex pair (CVP), horseshoe, shear layer and wake vortices. The effects of parameters influencing the jet penetration, entrainment and turbulent mixing such the jet velocity profile, jet pulsation, and jet to crossflow temperature ratio are also investigated. The results show that the jet pulsation can enhance the mixing depending on the Strouhal number. Moreover, the jet penetration and the mixing of jet and crossflow fluids noticeably enhances by cooling the jet or heating the crossflow. The reacting JICF results show that the flame along the jet centerline plane consisted of two branches, one stabilized in the jet lee and one lifted above the jet trajectory. The positional stability of the lee-stabilized branch was greater in the higher jet velocity cases due to the larger and stronger recirculation zones created downstream of the injection point. Keyword: Jet in crossflow, LES/FMDF, turbulent mixing, backward facing step flow, premixed and non-premixed combustion.
