SUPERVISOR
Ahmad Saboonchi,Mohsen DavazdahEmami
احمد صابونچی (استاد مشاور) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
Ahmad Nazari
احمد نظری
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1394
TITLE
Application of Multi-mixture Fraction model in Diffusion Flames Combustion Modeling
The limitations of fossil fuel resources and environmental issues have provided extensive research on combustion science over the past decades, and the reduction of combustion pollutants in industrial burners has been one of the fundamental challenges for researchers. To monitor and control pollutants, proper prediction of the temperature field and combustion products is essential. On the other hand, most of the combustion processes occur in a totally turbulent environment, which is complicated by the interaction between chemical reactions and turbulence. Therefore, the simulation of these flows requires the selection of a suitable combustion model. In the present study, the laminar flamelet model is used for combustion modeling, because of its high accuracy in predictions and computational economy, and the model is used for turbulence modeling. This study is concerned with numerical solution of multi-fuel combustion. To this end, a new program called multi-mixture fraction model has been developed for the modeling of multi-fuel burners, and its applications in using flamelet model and flame-sheet model have been investigated. In order to ensure the correct predictions of the modeling, the bluff-body flame is simulated with one fuel stream, and piloted methane-air flame with two fuel streams. Simulation of flamelet model requires generation of a flamelet library, which is produced as preprocessing both in the physical space and in the mixture fraction space. In this thesis, the opposed-flow flame in physical space has been used for flamelet library generation. In the next step, the mean of these quantities was obtained by numerical integration for different mean mixture fractions, their variance and scalar dissipation rate, and then by training an artificial neural network and inserting its weight and bias coefficients in the solution code for conservation equations, the average mass fraction of species is foreseen. The simulation results of the bluff-body flame showed that the prediction of temperature and mass fraction of species by the neural network in the flamelet code yields good agreement with experimental data. The flame-sheet model does not offer a good prediction of species, especially pollutants, so that the mass fraction of CO is much less than its real value. Another result of the simulation of this flame is the reduction of computational time with the help of neural networks, in which the application of this network in the flamelet code reduced the computational time to about 40 percent over the implementation of flamelet fluent. The simulation results of piloted methane-air flame using the multi-mixture fraction model were compared with experimental data as well as predictions of the flamelet fluent model. The flamelet model based on a single-mixture fraction predicts the mass fraction of CO and OH species more than real value in most situations. But the use of two-mixture fraction model reduced the prediction error for this species by about 5 and 8 percent, respectively. Also, the use of two-mixture fraction model reduced the temperature prediction error by about 11 percent compared to the single-mixture fraction model. The results of this simulation showed that the standard mixture fraction framework is not suitable for the modeling of multi-fuel burners, and the development of mixture fraction based on this study has the ability to solve combustion problems with more than one fuel input. Keywords: Combustion, Laminar flamelet model, Artificial neural network, Multi-mixture fraction
محدودیت منابع سوختهای فسیلی و مباحث زیستمحیطی، زمینه تحقیقات گسترده پیرامون علم احتراق را در چند دهه گذشته فراهم کرده و کاهش آلایندههای ناشی از احتراق در مشعلهای صنعتی، یکی از چالشهای اساسی محققان بوده است. برای بررسی و کنترل آلایندهها، پیشبینی مناسب میدان دما و محصولات احتراق امری ضروری است. از طرف دیگر اکثر فرایندهای احتراقی در محیطی کاملاً مغشوش رخداده که به دلیل تعامل بین واکنشهای شیمیایی و اغتشاش، این فرایندها بسیار پیچیده میشوند. به همین خاطر شبیهسازی این جریانها نیازمند انتخاب یک مدل مناسب احتراقی است. در پژوهش حاضر، از مدل فلیملت آرام به دلیل دقت بالا در پیشبینیها و حجم محاسباتی پایین، برای مدلسازی احتراق و از مدل برای مدلسازی اغتشاش استفاده شده است. این مطالعه مرتبط با حل عددی احتراق چند سوخته است. بدین منظور برنامهای جدید تحت عنوان مدل کسر مخلوط چندگانه برای مدلسازی مشعلهای چند سوخته تدوینشده و کاربردهای آن در استفاده از مدل فلیملت و مدل شعله-صفحه ای بررسیشده است. بهمنظور اطمینان از صحت کارکرد این برنامه، شعله بلاف-بادی با یک جریان سوخت و شعله پایلوت متان-هوا با دو جریان سوخت شبیهسازی شدهاند. مدل فلیملت برای شبیهسازی نیازمند تشکیل کتابخانه فلیملت است که این کتابخانه هم در فضای فیزیکی و هم در فضای کسرمخلوط بهصورت پیشپردازش تولید میشود. در این پایاننامه برای تولید کتابخانه فلیملت از شعله جریان مخالف در فضای فیزیکی استفادهشده و کسر جرمی گونهها و دما در مقادیر مختلف کسرمخلوط و نرخ استهلاک اسکالر و با فرض عدد لوئیس واحد محاسبه شدهاند. در مرحله بعد، متوسط این کمیتها با انتگرالگیری عددی به ازای مقادیر مختلف کسرمخلوط متوسط، واریانس آن و نرخ استهلاک اسکالر بهدستآمده و سپس با ساخت یک شبکه عصبی مصنوعی و قرار دادن ضرایب وزن و بایاس آن در کد حل معادلات بقا، متوسط کسر جرمی گونهها پیشبینی شده است. نتایج شبیهسازی شعله بلاف-بادی نشان داد که پیشبینی دما و کسر جرمی گونهها بهوسیله شبکه عصبی در کد فلیملت و همچنین نتایج مدل فلیملت فلوئنت توافق خوبی با دادههای تجربی دارند. مدل شعله-صفحه ای پیشبینی مناسبی از گونهها بهویژه آلایندهها ندارد بهطوریکه کسر جرمی را بسیار کمتر از مقدار واقعی آن به دست آورده است، درحالیکه پیشبینی این گونه با استفاده از مدل فلیملت، در تمامی نواحی چرخشی پشت بلاف-بادی توافق بسیار خوب با نتایج تجربی را نشان میدهد. نتیجه دیگر در شبیهسازی این شعله، کاهش زمان محاسبات به کمک شبکه عصبی است بهطوریکه اعمال این شبکه در کد فلیملت حدود 40 درصد زمان محاسبات را تا همگرایی نسبت به اجرای فلیملت فلوئنت کاهش داده است. نتایج شبیهسازی شعله پایلوت متان-هوا با استفاده از مدل کسرمخلوط چندگانه با دادههای تجربی و همچنین پیشبینیهای مدل فلیملت فلوئنت مقایسه شده است. مدل فلیملت بر مبنای یککسرمخلوط، کسر جرمی گونههای و را در اکثر موقعیتها بیشتر از مقدار واقعی پیشبینی کرده اما استفاده از مدل دوکسرمخلوط و بهکارگیری شبکه عصبی خطای پیشبینی این گونهها را به ترتیب حدود 5 و 8 درصد کاهش داده است. همچنین استفاده از مدل دوکسرمخلوط باعث کاهش 11 درصدی خطای پیشبینی دما نسبت به مدل یککسرمخلوط شده است. نتایج این شبیهسازی نشان داد که چارچوب کسرمخلوط استاندارد برای مدلسازی مشعلهای چند سوخته مناسب نیست و توسعه کسرمخلوط به روش پژوهش حاضر، قابلیت حل مسائل احتراقی با بیش از یک ورودی سوخت را دارد. کلمات کلیدی : احتراق، مدل فلیملت آرام، شبکههای عصبی مصنوعی، کسرمخلوط چندگانه