SUPERVISOR
محسن دوازده امامی (استاد راهنما) محمد فرش چی (استاد مشاور)
STUDENT
Fatemeh Chitgarha
فاطمه چیتگرها
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1389
TITLE
Modeling and Simulation of Flame Behavior Using Unsteady and Steady Flamelet Combustion Models
Reduction of environmental pollutants caused by combustion in power plant systems is one of the main challenges for the researchers. To pinpoint the mechanisms of formation and traort of combustion pollutants, it is necessary to have an accurate prediction of temperature field of the combustion products. For this reason, simulation of turbulent combustion flows has attracted much attention in recent years. An appropriate combustion model is required for simulation of these flows. Flamelet model is the most favorite combustion model, due to inherent separation of the turbulent flow field and the chemical reactions. Moreover, the consideration of unsteady flamelet in modeling complex physical phenomena such as radiation heat transfer and slow chemical processes (of pollutants) leads to better results than the steady flamelet assumption. The purpose of this study is to investigate the application of steady and unsteady flamelet models in the simulation of turbulent diffusion bluff body and jet flames. In order to achieve this task, first a database of temperature and chemical species mass fraction is created in steady state. This flamelet library is obtained from the solutions of simple opposed-jet diffusion flames by assuming unity and non-unity Lewis number in the space of mixture fraction. The FlameMaster code is used to build these libraries. Effect of turbulence on the combustion field of flamelets is applied by considering a presumed-pdf (beta-function), which depends only on the mean mixture fraction and its variance. Another input to the library is the mean value of the scalar dissipation rate. By performing the integration of the chemical library over the permissible range of the quantities, the mean values of chemical species mass fraction and temperature is achieved. The transient effects are considered in a post-processing manner using the unsteady flamelet Model. In this model, the transient history of scalar dissipation rate, conditioned at stoichiometric mixture fraction is required. This value is obtained by considering a tracer particle to generate unsteady flamelets. In addition, the probability of finding unsteady flamelet is obtained by solving an unsteady scalar traort equation on a converged solution in the whole domain. Predictions of velocity, mean mixture fraction and its rms using the modified k-? have shown very good agreement with experiment data. Comparisons of the results of steady and unsteady calculations have shown that transient effects do not have much influence on major species, including OH and therefore the structure of the flame can be successfully predicted by steady or unsteady approaches. Hence the predictions of temperature and mass fraction of major species using steady flamelet model are in good agreement with the experimental results. However, NO mass fraction in steady-state simulations using two different chemical mechanisms GRI3.0 and GRI2.11 is over predicted. Furthermore the GRI3.0 mechanism showed overpredictions of NO with both unsteady and steady models. While NO mass fraction in the unsteady flamelet modeling using mechanism GRI2.11and considering radiation have shown good agreement with the experimental data. Thus, unsteady effects are important in slow processes such as the formation of NO and complex phenomena such as radiation heat transfer. Key Words: Turbulent Combustion, Flamelet Modeling, Non-Premixed Flame, Flamelet Library.
کاهش آلایندههای محیط زیست ناشی از احتراق در سیستمهای نیرو محرکه، یکی از چالشهای اساسی محققان میباشد. پیشبینی دقیق محصولات و درجه حرارت میدان احتراق برای اطلاع از منابع این آلایندهها، امری ضروری است. به همین دلیل در سالهای اخیر شبیهسازی جریانهای احتراقی مغشوش مورد توجه واقع شدهاست. برای شبیهسازی این جریانها به یک مدل احتراقی مناسب، نیاز میباشد. مدل فلیملت به دلیل ویژگیهای متعدد از جمله جدا نمودن واکنشهای شیمیایی از میدان جریان مغشوش، یکی از مهمترین و پرکاربردترین مدلهای ارائهشده در مقالات میباشد. همچنین فرض حالت ناپایا درمدلسازی پدیدههای پیچیدهی فیزیکی مانند انتقال حرارت تابشی و فرآیندهای شیمیایی کند (تشکیل آلایندهها)، نتایج بهتری نسبت به فرض حالت پایا بدست میآورد. هدف از این پژوهش مشاهدهی کاربرد مدل فلیملت پایا و ناپایا در شبیهسازی شعلههای نفوذی مغشوش بلافبادی و شعلهی جت میباشد. به همین منظور ابتدا یک بانک اطلاعاتی در حالت پایا برای دما و نسبتجرمی گونههای شیمیایی ایجاد میشود. این بانک اطلاعاتی از حل شعلههای دیفیوژن ساده (فلیملت) با فرض عدد لوئیس واحد و غیر واحد در فضای نسبتمخلوط بدست میآید. اثرات آشفتگی بر روی فلیملتها نیز بهوسیلهی پارامترهای نسبتمخلوط و نرخ استهلاک اسکالر بر اساس تابع چگالی احتمال اعمال میشود. کنش و واکنش شیمیایی-توربولانس به وسیلهی انتگرالگیری کمیتهای متفاوت بر مبنای تابع چگالی احتمال انجام میشود. با استفاده از این انتگرالگیری، مقادیر متوسط کسرجرمی گونههای شیمیایی و دما بدست میآید. اثرات گذرایی در مرحله ی پسپردازنده با استفاده از مدل فلیملت ناپایا درنظرگرفتهمیشود. در این مدل برای تولید فلیملتهای ناپایا به نرخ استهلاک اسکالر میانگین مشروط وابسته به زمان، نیاز بوده که بوسیلهی درنظرگرفتن یک ذرهی ردیاب فلیملت ناپایا بدست میآید. همچنین احتمال پیدا کردن فلیملت ناپایا بوسیلهی این ذرهی ساختگی، از حل نمودن یک معادلهی انتقال اسکالر ناپایا بر روی حل همگرا شدهی فلیملت پایا در کل منطقهی حل، محاسبه میشود. پیشبینیهای سرعت، نسبت مخلوط میانگین و واریانس آن با استفاده از مدل اصلاح شدهی k-? همخوانی خوبی را با نتایج تجربی نشان میدهد. مقایسهی محاسبات حالت پایا و ناپایا نشان میدهد که اثرات گذرایی تاثیر زیادی بر روی گونههای اصلی شامل OH نداشته و در نتیجه ساختار شعله میتواند بوسیلهی روش پایا یا ناپایا به خوبی پیشبینی شود. از این رو پیشبینیهای دما و نسبتجرمی گونههای اصلی با استفاده از مدل فلیملت پایا همخوانی خوبی با نتایج تجربی دارد. ولی شبیهسازیهای حالت پایا با استفاده از دو مکانیزم شیمیایی GRI3.0 و GRI2.11، نسبتجرمی گونهی NO را خیلی بیشتر از مقدار واقعی پیشبینی مینماید. . هم چنین مکانیزم GRI3.0 با بکارگیری هر دو مدل فلیملت پایا و ناپایا NO را بیش از حد پیشبینی مینماید. در عینحال، نسبتجرمی گونهی NO در مدل فلیملت ناپایا با استفاده از مکانیزم GRI2.11 و درنظرگرفتن تشعشع، با دادههای تجربی همخوانی خوبی دارد. در نتیجه اثرات گذرایی در فرآیندهای کندی مانند تشکیل NO و پدیدههای پیچیدهای همچون انتقال حرارت تابشی مهم میباشد.کلمات کلیدی: 1- احتراق مغشوش 2-مدل فلیملت 3-شعله غیرپیشمخلوط 4-بانک اطلاعاتی فلیملت