SUPERVISOR
Mohsen DavazdahEmami,Ahmad Saboonchi
محسن دوازده امامی (استاد راهنما) احمد صابونچی (استاد مشاور)
STUDENT
Pooria Danaeifar
پوریا دانائی فر
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1393
TITLE
Steady Flamelet Generation and Flamelet Library Formation with several Inputs
In recent years, energy consumption has been rising steadily. The vast demand of energy requires reliable resources, which at the present is supplied by fossil fuels. However, combustion of fossil fuels also causes emissions. Most of the combustion processes in the industry are turbulent since the flow field turbulence accelerates the process and as a result, increases the energy production rate. The turbulent combustion process is very complicated due to the interaction between chemical reactions and turbulence. Therefore, it is necessary to select a suitable model in terms of precision and computational cost to simulate it. In this study, the laminar flamelet model was used regarding its high accuracy and low computational cost for combustion modeling. Furthermore, the model was applied for accounting the effect of turbulence on the flow field. Laminar flamelet model requires the flamelet library to be generated in a pre-processing simulation. The flamelet library may be produced either in the physical space or in a mixture fraction space. In the present work, both methods have been used for the generation of the flamelet library. In this study, for the formation of the flamelet library in the physical space, the opposed-flow geometry has been used and the outcome is compared with the generation of flamelet library in the mixture fraction space. In order to ensure the accuracy of the applied models, an opposed-flow flame has been numerically simulated and validated. The results of the physical space were more accurate than the mixture fraction space. The flamelet libraries resulted from three different softwares; Chemkin, Fluent, and FlameMaster, are compared. Moreover, the effect of heat loss on the flamelet is accounted for in some simulations. In most previous studies, the effect of heat loss is not considered during the formation of the flamelet library. In this study, to increase the accuracy of flamelet model, the effect of heat loss is also considered during the formation of the flamelet library. In addition to the two inputs; the mixture fraction and the stoichiometric scalar dissipation rate, the enthalpy has also been considered as the third input in the generation of the flamelet library. After generating a look up table based on the flamelet library, a bluff body flame was simulated using the generated table and the simulation results are compared with the experimental data. Heat loss effect on the scalar dissipation rate was studied. The heat loss from the flame reduces the predicted temperature, and the temperature results based on this consideration are in a better agreement with the experimental data. In this study, the effect of considering differential diffusion during flamelet library generation on the results of the bluff body flame simulation is also investigated and compared with those resulted from unity Lewis number assumption. Considering the effect of differential diffusion improves the prediction results of OH mass fraction and deteriorate those of CO 2 mass fraction. Finally, the impact of scalar dissipation rate on the results of the NO concentration at unsteady flamelet library was investigated. The results showed that although temperature and major species are not scalar dissipation rate sensitive, some minor species for instance, NO is very sensitive. At scalar dissipation rates far from the equilibrium state, mass fraction of the species NO is better predicted. Keywords: Turbulent combustion, Pollutants, Laminar flamelet model, Non-adiabatic flamelet library, Differential diffusion
در سالهای اخیر مصرف انرژی در حال افزایش است. از طرفی بخش اعظم تولید انرژی همچنان بهوسیله احتراق سوختهای فسیلی تامین میشود، از طرف دیگر احتراق سوختهای فسیلی باعث انتشار آلاینده نیز میشود. اکثر فرآیندهای احتراق در صنعت بهصورت مغشوش رخ میدهند؛ چراکه اغتشاش میدان جریان باعث سرعت بخشیدن به این فرآیند و درنتیجه باعث بیشتر شدن نرخ تولید انرژی میشود. فرآیند احتراق مغشوش به دلیل تعامل بین واکنشهای شیمیایی و اغتشاش جریان بسیار پیچیده است. به همین خاطر برای شبیهسازی آن به انتخاب مدلی مناسب نیاز است. در این پژوهش از مدل فلیملت آرام به دلیل دقت بالا و حجم محاسباتی پایین برای مدلسازی احتراق و از مدل برای مدلسازی اغتشاش استفادهشده است. مدل فلیملت آرام برای شبیهسازی نیازمند تشکیل کتابخانه فلیملت بهصورت پیشپردازش است. کتابخانه فلیملت هم در فضای فیزیکی و هم در فضای کسرمخلوط تولید میشود؛ که در اینجا از هر دو شیوه برای تولید کتابخانه فلیملت استفادهشده است. در این پژوهش برای تشکیل کتابخانه فلیملت در فضای فیزیکی از هندسه جریان مخالف استفادهشده و با فلیملت تولیدی در فضای کسرمخلوط مقایسه شده است. همچنین بهمنظور اطمینان از صحت کارکرد مدلهای مورداستفاده، یک شعله جریان مخالف شبیهسازی و اعتبارسنجی شده است، نتایج مربوط به فضای فیزیکی نسبت به فضای کسرمخلوط از توافق بهتری برخوردار بودند. برای ساخت کتابخانه فلیملت از سه نرمافزار کمکین، فلوئنت و فلیممستر استفادهشده است که نتایج آنها برای شعله جریان مخالف با هم مقایسه شده است. در بعضی از شعلهها اتلاف محلی در دامنه احتراق باعث میشود که شبیهسازی با خطا همراه شود. در اکثر پژوهشهای انجامگرفته در این زمینه، هنگام تشکیل کتابخانه فلیملت اثر اتلاف حرارت در نظر گرفته نمیشود. در این پژوهش برای افزایش دقت مدل فلیملت، در هنگام تشکیل کتابخانه فلیملت اثر اتلاف حرارت در نظر گرفته میشود. به این منظور علاوه بر دو ورودی کسرمخلوط و نرخ استهلاک اسکالر استوکیومتری، انتالپی نیز بهعنوان ورودی سوم در تولید کتابخانه فلیملت در نظر گرفتهشده است. با استفاده از کتابخانه فلیملت تولیدی به این شیوه، شعله بلاف بادی شبیهسازی و با دادههای تجربی مقایسه شده است. تاثیر اتلاف حرارت در نرخ استهلاک اسکالرهای مختلف موردبررسی قرار گرفت. اتلاف حرارت از شعله باعث کاهش دمای پیشبینی میشود و نتایج دما برای این حالت با دادههای تجربی همخوانی بهتری پیدا میکند. در این پژوهش همچنین اثر در نظر گرفتن پخش دیفرانسیلی هنگام تشکیل کتابخانه فلیملت بر نتایج شبیهسازی شعله بلاف بادی موردبررسی قرار گرفت. مشاهده شد که در نظر گرفتن اثر پخش دیفرانسیلی در بعضی از گونهها مانند باعث بهتر شدن نتایج و در بعضی گونهها مانند باعث دور شدن نتایج شبیهسازی از نتایج تجربی میشود. در انتها تاثیر نرخ استهلاک اسکالر بر نتایج گونه آلاینده در استفاده از کتابخانه مبتنی بر فلیملت گذرا موردبررسی قرار گرفت و نتایج نشان داد که هرچند دما و کسرجرمی گونههای اصلی به نرخ استهلاک اسکالر حساسیت ندارند ولی بعضی از گونههای فرعی مهم نظیر آلاینده به این کمیت بسیار وابسته است. در نرخ استهلاک اسکالرهای دورتر از حالت تعادلی کسرجرمی این گونه بهتر پیشبینی خواهد شد. کلمات کلیدی: احتراق مغشوش، آلاینده، مدل فلیملت آرام، کتابخانه فلیملت غیرآدیاباتیک، پخش دیفرانسیلی