SUPERVISOR
Mahmud Ashrafizadeh,Mohsen DavazdahEmami
محمود اشرفی زاده (استاد مشاور) محسن دوازده امامی (استاد راهنما)
STUDENT
Mohammad Mahdi Attarzadeh
محمدمهدی عطارزاده جوزدانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی مکانیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1396
TITLE
Non-Premixed Flame Simulation Using Non-Adiabatic Flamelet Generated Manifolds
Although the renewable energy are attracting attention in the world, combustion still holds its special place in the energy supply of the power plant industries as well as in traortation, especially in aerospace equipments.Much research into combustion and enhancing the efficiency of this procees has done, but subjects related to envirionment are still interesting for many researchers. Therefore, in order to reduce combustion pollutants, it is necessary to predict the concentration of pollutants due to combustion. Since most of industrial burners operate in turbulent regimes and flow turbulence and chemical reactions of combustion has interaction on each other, hence, their interaction should be taken into account. In this research in order to simulate flow turbulence, chemical reactions in combustion and interaction between combustion and turbulence standard , laminar flamelet and probability density functions are used as the flamelet model, respectively. The flamelet model is a combustion model with a finite chemical reaction rate that has relatively high simulation precision in problems in which the chemical time scale is much smaller than the flow time scale and it needs less computional effort than models that use detailed chemical mechanism. In order to implement adiabatic and non-adiabatic flamelet models are formulated as UDF codes in C programming language. One of the necessities to utilize flamelet model is to generate a data base after solving a one or two dimensional laminar flame problem as pre-processing. In the present work, the flamelet used for adiabatic flamelet model survey, is generated using Cantera and Chemkin softwares in physical coordinates and Fluent software in in mixture fraction space. In adiabatic flamelet model, after solving traort equations for the laminar flame and flamelet generation, considering the effects of fluctuations is done with integrating using the probability density functions for the mixture fraction and the scalar dissipation rate and a library is generated in which thermochemical quantities are introduced as a function of mixture fraction mean and its variance and mean scalar dissipation rate. After generating the library, in order to simulate the turbulent flame, in each iteration, in addition to the traort equations commonly used in fluid dynamics problems, equations for the mean mixture fraction, mixture fraction variance, and mean scalar dissipation rate are also solved in each iteration and temperature and mass fraction of species in each computational cell in the domain with interpolation is calculated using these three quantities and this cycle will continue until convergence. In the simulation of some turbulent flames, due to the importance of heat transfer effects from flame or combustion chamber walls, the use of non-adiabatic flamelet model has been suggested by the researchers. In this study, the flamelet used in the non-adiabatic flamelet model is generated in the Cantera software and with considering the effect of thermal losses on the temperature distribution by help of a variable called enthalpy defect.This table has one more independent variable, enthalpy defect that is calculated by subtracting actual enthalpy obtained from energy equation from adiabatic enthalpy. Considering that non-adiabatic flamelet model can reduce the computational error just in and its needed time for simulation is nearly 20 times than adiabatic flamelet model; it is better to use adiabatic flamelet model in simulation of flames that do not have much heat loss. Keywords: Combustion, Steady laminar flamelet, Non-premixed, Bluff-body flame, Non-adiabatic
: علیرغم اقبال جهانی به انرژیهای نو با آلایندگی کمتر، هنوز هم احتراق جایگاه ویژهای در تامین انرژی صنایع نیروگاهی و همچنین حملونقل خصوصا تجهیزات هوایی دارد. مباحث زیست محیطی احتراق همچنان جزو موضوعاتی است که توجه پژوهشگران زیادی به آن معطوف شدهاست. لذا به منظور کاهش آلایندههای احتراق، پیشبینی غلظت آلایندههای ناشی از احتراق امری ضروری به نظر میرسد. با توجه به این که بسیاری از مشعلهای صنعتی در رژیم مغشوش عمل میکنند و اینکه اغتشاش جریان و همچنین اغتشاشات موجود در احتراق بر هم اثر متقابل دارند، بنابراین در یک مسئله احتراق مغشوش باید اغتشاش جریان، اغتشاشات موجود در احتراق و آثار متقابل این دو بر هم در نظر گرفته شود. در این پژوهش برای اغتشاش جریان، مدل توربولانسی استاندارد، برای احتراق و واکنشهای شیمیایی، مدل فلیملت آرام و برای بررسی اندرکنش توربولانس و احتراق استفاده از توابع دانسیته احتمال در قالب مدل فلیملت در نظر گرفتهشدهاست. مدل فلیملت یک مدل احتراقی با در نظر گرفتن نرخ واکنش شیمیایی محدود است که در مسائلی که زمان مشخصه انجام واکنشهای شیمیایی بسیار کمتر از زمان مشخصه جریان است، دارای دقت به نسبت بالا در عین زمان محاسباتی پایین است. در این پژوهش، معادلات مدل فلیملت آدیاباتیک و غیرآدیاباتیک به صورت کد UDF به زبان C تدوین شدهاست. از لوازم حل با مدل فلیملت، تولید یک پایگاه داده با حل یک شعله یک یا دوبعدی آرام قبل از انجام شبیهسازی اصلی به صورت پیشپردازش است. در پژوهش حاضر فلیملت مورد استفاده برای بررسی مدل فلیملت آدیاباتیک با استفاده از نرمافزارهای کمکین و کانترا در مختصات فیزیکی و نرمافزار فلوئنت در مختصات کسر مخلوط تولید شدهاست. در مدل فلیملت آدیاباتیک، پس از حل معادلات انتقال برای شعله آرام و تولید فلیملت، با در نظر گرفتن اثر نوسانات و انتگرالگیری و استفاده از توابع دانسیته احتمال برای کسر مخلوط و نرخ استهلاک اسکالر کتابخانهای تولید میشود که در این کتابخانه کمیتهای ترموشیمیایی به صورت تابعی از متوسط کسر مخلوط، واریانس آن و متوسط نرخ استهلاک اسکالر بیان میشود. پس از تولید کتابخانه، به منظور شبیهسازی شعله مغشوش مورد نظر، در هر تکرار علاوه بر معادلات انتقال رایج در مسائل سیالات، معادلاتی نیز برای کسر مخلوط متوسط، واریانس کسر مخلوط و متوسط نرخ استهلاک اسکالر حل میگردد که پس از محاسبه این سه کمیت، دما و کسر جرمی گونهها در هر سلول محاسباتی در دامنه با میانیابی با استفاده از این سه کمیت محاسبه میشود و این سیکل تا رسیدن به همگرایی ادامه خواهد داشت. درشبیهسازی برخی از شعلههای مغشوش به دلیل اهمیت یافتن آثار انتقال حرارت از شعله و یا دیوارههای محفظه احتراق، استفاده از مدل فلیملت غیرآدیاباتیک توسط محققین پیشنهاد شدهاست. در این پژوهش، فلیملت مورد استفاده در مدل فلیملت غیرآدیاباتیک در نرمافزار کانترا و با در نظر گرفتن اثر تلفات حرارتی بر توزیع دما در دامنه مسئله با کمک متغیری به نام نقصان انتالپی تولید شدهاست. همانند مدل فلیملت آدیاباتیک، برای حل به کمک مدل فلیملت غیرآدیاباتیک نیز باید یک کتابخانه برای میانیابی کمیتهای ترموشیمیایی از آن تشکیل شود که اینبارمتغیرهای مستقل این جدول، یکی بیشتر از متغیرهای جدول کتابخانه آدیاباتیک است و آن متغیر اضافه، متوسط نقصان انتالپی است که در هر حلقه تکرار، با حل معادله انرژی و محاسبه تفاضل مقدار انتالپی هر سلول با مقدار انتالپی آدیاباتیک به دست میآید. در این پژوهش، هر دو مدل فلیملت آدیاباتیک و غیرآدیاباتیک با دقت قابل قبولی توانایی پیشبینی دما و کسر جرمی گونههای شیمیایی را دارا هستند و با توجه به اینکه کاهش خطای محاسبه دما در مقطع 26/0 به میزان 9% و آن هم فقط در نزدیکی محور تقارن شعله بر اثر استفاده از مدل فلیملت غیرآدیاباتیک در مقایسه با هزینه محاسباتی که باید برای میانیابی کمیتهای ترموشیمیایی با استفاده از چهار متغیر، که تقریبا 20 برابر زمان مورد نیاز برای شبیهسازی با مدل فلیملت آدیاباتیک است، پرداخت، قابل چشمپوشی است؛ پیشنهاد میشود که در مسائلی که میزان تلفات حرارتی از شعله بالا نیست، از مدل فلیملت آدیاباتیک استفاده شود. کلمات کلیدی : احتراق، مدل فلیملت آرام، غیرپیشمخلوط، شعله بلافبادی، غیرآدیاباتیک