Skip to main content
SUPERVISOR
Qmars Mazaheri badi,Mohsen DavazdahEmami
کیومرث مظاهری بادی (استاد مشاور) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
 
STUDENT
Hossein Atoof
حسین عطوف

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1388

TITLE

Application of FGM in Modeling of Combustion within Porous Media
: Increasing combustion efficiency saves huge amounts of fuel, decreases combustion pollution, and conserves the living environment. Among all the ways that are proposed for increasing combustion efficiency, utilizing porous media in the combustion zone is one of the best. High developing inner surface and turbulence structure of the gas flow through porous media make combustion totally different form that of free flame combustion. Due to the complexity of the porous structure and high temperature value of the combustion product, installing experimental devices to investigate the effects of the porous media on fluid behavior in the combustion zone is difficult and expensive. In this situation numerical methods are utilized to investigate the flow behavior for combustion in the porous media. Like in many other fields of fluid dynamics, computational fluid dynamics (CFD) has become an important part of combustion research. Although the speed and storage capacity of modern computers increases continuously, it is still impossible to employ models that use detailed chemistry for the simulation of combustion in practical furnaces. Especially the models for turbulent flames are tremendously complicated due to the large range of time and length scales involved. Nowadays, numerical simulations of one-dimensional laminar flames with detailed chemistry and traort models are often used in combustion research. Nevertheless, the computation time for multi-dimensional laminar flame models prohibits the simulation of flames in complex geometries or an investigation of the influence of different parameters. Therefore, several methods to simplify the description of the reaction kinetics have been developed during the last decades. The main part of these methods is based on the assumption that most chemical processes in a flame have a much smaller time scale than the flow time scale. These assumptions, however, give poor approximations in the ’colder’ regions of a flame, in which traort processes are also important. In this thesis a new method is presented, which can be considered as a combination of two existing approaches to speed up flame calculations, i.e. the flamelet and manifold approach. This new method, referred to as the Flamelet-Generated Manifold (FGM) method, shares the idea with flamelet approaches that a multi-dimensional flame may be considered as a set of one-dimensional flames. The thermo-chemical variables are stored in a database, which can be used in subsequent flame simulations. During the flame simulation conservation equations have to be solved for the controlling variables only. Since the major parts of convection and diffusion processes are present in one dimensional flamelets, the FGM method is more accurate in the ’colder’ zones of premixed flames than reduction methods based on local chemical equilibria. Test results of one- and two-dimensional methane/air flames show that detailed chemistry computations are reproduced very well by using a FGM with only one progress variable apart from the enthalpy to account for energy losses. Due to the application of the FGM method, the computation time has been reduced by a factor of 50 in one-dimensional flames demonstrating the enormous potential of the method. For two-dimensional flames the computational gain is even larger. Simulations were separately performed by using the aforementioned progress variables and the prediction of the flame front were compared . Submerged flames within porous media simulated in three burners with different geometry and porous materials. Each of these burners was simulated with different models for volumetric heat transfer coefficient between the two phases which shows that the use of different models for heat transfer has a significant impact on the results. Then a burner with different conduction heat transfer coefficients of solid matrix was simulated. Key Words—Premixed Combustion , Porous Media, submerged Flame, Flamelet Generated Manifold, reducing computational costs.
افزایش بازده احتراق می تواند در کاهش چشمگیر سوخت، کاهش آلاینده های زیست محیطی و نجات محیط زیست موثر باشد. در میان راه های گوناگون برای افزایش بازده احتراق، بکارگیری محیط‌های متخلخل در محفظه های احتراق یکی از بهترین روش‌ها است. وجود هندسه پیچیده در محیط‌های متخلخل و نحوه حرکت سیال در آنها، تحلیل آن را از بررسی شعله‌های آزاد متفاوت و پیچیده کرده است. پیچیدگی ساختار محیط‌های متخلخل و دمای زیاد محصولات احتراق در داخل آن، نصب وسایل اندازه گیری را برای بررسی تاثیر محیط متخلخل بر رفتار جریان گاز در ناحیه واکنش، سخت و گران قیمت کرده است. به همین دلیل از روش‌های عددی برای بررسی اندرکنش محیط متخلخل و جریان احتراقی استفاده می‌شود. همانند دیگر زمینه‌های دینامیک سیالات، دینامیک سیالات محاسباتی قسمت مهمی از تحقیقات بر روی فرآیند احتراق در شق‌های مختلف آن را دربر می گیرد. با اینکه حافظه و سرعت رایانه‌های مدرن پیوسته در حال افزایش است اما هنوز شبیه‌سازی فرآیند احتراق با استفاده از مدل‌های سینتیک جزئی در مشعل‌های صنعتی بسیار مشکل است. این مسئله در مسائلی که دچار اغتشاش بوده و شامل مقیاس‌های زمانی و طولی متعدد است، پیچیده تر خواهد شد. بنابراین علی رغم اینکه امروزه بر روی مسائل یک بعدی احتراقی آرام با استفاده از سینتیک جزئی انجام شده است، بررسی پارامترهای موثر در مشعل های صنعتی بدلیل هندسه پیچیده میسر نخواهد بود. بنابراین راههای متعددی در دهه های گذشته برای کاهش سینتیک واکنش ها توسعه یافته است که ایده اصلی آنها بر کوچکتر بودن مقیاس زمانی واکنش نسبت به مقیاس زمانی جریان استوار است. این فرض در نواحی \extit{سردتر} جریان که مولفه های انتقالی جریان دارای اهمیت هستند، فرض ضعیفی است. در این رساله روشی به نام تولید فلیملت از منیفولد ( FGM) معرفی شده است که ترکیبی از دو روش کاهش سینتیک است یعنی روش فلیملت و روش منیفولد. در این روش شعله چند بعدی بصورت مجموعه ای از شعله های یک بعدی در نظر گرفته شده است (روش فلیملت) و ساختار شعله توسط تعداد محدودی متغیر کنترلی تعیین می‌گردد (روش منیفولد). متغیرهای ترموشیمیایی در یک بانک داده ذخیره شده و در شبیه سازی شعله استفاده می‌شوند. در طول شبیه سازی معادله متغیرهای پیشرو نیز حل می‌شود. در روش FGM بدلیل لحاظ شدن فرآیندهای انتقال در معادلات متغیرهای پیشرو، مناطق سردتر شعله پیش مخلوط دقیق تر محاسبه می‌شود. نتایج شبیه سازی شعله یک بعدی حاصل از روش سینتیک جزئی و روش حاضر نشان داد که روش FGM توانسته بخوبی شعله پیش مخلوط آرام متان/هوا را پیش بینی کند. این روش توانسته است با لحاظ دو متغیر کنترلی در روش، زمان محاسبات را تا مقدار ?? برابر در شعله یکی بعدی کاهش دهد که پتانسیل زیاد این روش را اثبات می‌کند. در مسائل دو بعدی این عدد حتی بیشتر نیز خواهد شد. تاثیر متغیرهای پیشرو بر پیش بینی دقیق مکان شعله در یک شعله پیش مخلوط دوبعدی همراه با کشیدگی و انحنا مورد بررسی قرار گرفت و اثر نحوه انتخاب گونه موثر بر شعله در مقایسه سینتیک جزئی بدست آمد. برای بررسی این اثر از یک محفظه احتراق دو بعدی شعله آزاد پایدار استفاده شد که برای شبیه سازی شعله از دو متغیر کنترلی بهره گرفته شد. شبیه سازی شعله در داخل محیط متخلخل برای سه نوع مشعل با ابعاد و جنس ماتریس جامد مختلف مورد بررسی قرار گرفت. برای شبیه سازی هریک از این مشعل‌ها از مدل های مختلف برای ضریب انتقال حرارت حجمی بین دو فاز استفاده شد و نشان داده شد که استفاده از مدل‌های مختلف برای انتقال حرارت بر نتایج تاثیر بسزایی دارد. سپس شبیه سازی های مختلفی بر اساس تغییر مقدار ضریب انتقال حرارت هدایت در مشعل متخلخل دوبعدی انجام شد. در نهایت نیز شعله پایدارشده در یک مشعل ? کیلوواتی دو لایه ای برای مخلوط متان-هوا در نسبت هم ارزی یک شبیه سازی شد و نتایج آن با نتایج حاصل از آزمایش مقایسه گردید. نمودار دمای فاز جامد توافق خوبی با نتایج آزمایشگاهی داشت ولی دمای فاز گاز تفاوت نسباً زیادی در ناحیه پس از واکنش داشت. همچنین مقدار مونواکسید کربن حدود ? برابر بیشتر تخمین زده شد. بنابراین بررسی ها نشان داد که علی رغم وجود شعله غیرآدیاباتیک در محیط متخلخل، بکارگیری روش FGM می تواند روش قدرتمندی در پیش بینی فرآیند احتراق در محیط‌های متخلخل باشد. با درنظر گرفتن اثرات غیرآدیاباتیک در این روش، امکان افزایش دقت آن نیز وجود دارد. } کلمات کلیدی: احتراق پیش مخلوط، محیط متخلخل، روش FGM، کاهش هزینه محاسباتی

ارتقاء امنیت وب با وف بومی