شبیه سازی احتراق در مقیاس کوچک به منظور بررسی تاثیر دیوار بر ایجاد رژیم های متفاوت شعله
چکیده
هدف از کار حاضر، بررسی رژیم های شعله برای احتراق در مقیاس میکرو می باشد. در شبیه سازی عددی از فرمول بندی عدد ماخ پایین، سینتیک تفصیلی و ضرایب نفوذ مولکولی مختلف برای گونه ها استفاده شده است. همچنین با استفاده از رویکرد انتقال حرارت توام، معادله انرژی در دیوار و تاثیر آن بر روی جریان نیز بررسی شده است. نتایج مربوط به کار حاضر در دو بخش ارائه می شود. در ابتدا رژیم های شعله برای احتراق در مقیاس میکرو با استفاده از هندسه میکروکانال گرم شونده بررسی می شود و در ادامه اندرکنش حرارتی بین دیوار و جریان واکنشی در یک میکرو کانال مورد بررسی قرار می گیرد. در بخش شبیه سازی احتراق در میکروکانال گرم شونده تاثیر پارامترهای مختلف نظیر تاثیر سرعت جریان ورودی، نسبت هم ارزی و قطر کانال بر روی رژیم های شعله بررسی گردید. با تغییر سرعت جریان ورودی برای کانالی با عرض معین، سه رژیم خاموشی- اشتعال مکرر، پایای متقارن و رژیم پایای نامتقارن مشاهده گردید. در نزدیکی حد شعله وری پایین، رژیم خاموشی- اشتعال مکرر ناشی در کانال مشاهده می شود. با افزایش سرعت جریان ورودی در یک کانال با عرض مشخص، رژیم پایای متقارن مشاهده می شود که ناشی از برقراری تعادل بین مقیاس های زمانی واکنش و اقامت سیال می باشد. اما با افزایش بیشتر سرعت جریان ورودی مشاهده می شود رژیم پایای متقارن ناپایدار شده و به شکل نامتقارن پایدار می شوند. با افزایش نسبت هم ارزی از مقدار 5/0 تا 1 در یک کانال با عرض معین مشاهده می شود که رژیم پایای متقارن از بین می رود و محدوده رژیم خاموشی-اشتعال مکرر افزایش می یابد. برای بیان مشخصه های دینامیک خاموشی-اشتعال مکرر از دو پارامتر فرکانس و دامنه استفاده می شود. نتایج نشان می دهد که با افزایش سرعت جریان ورودی، دامنه پدیده خاموشی-اشتعال مکرر افزایش می یابد در حالی که فرکانس آن رفتاری کاهشی-افزایشی دارد. به منظور مطالعه دقیق تر این پدیده، تاثیر سرعت جریان ورودی بر روی پدیده خاموشی-اشتعال مکرر از دیدگاه واکنش های شیمیایی با استفاده از متغیر نرخ واکنش بررسی می شود. نتایج بدست آمده نشان می دهند که در سرعت های بالای جریان ورودی، واکنش های تولید گونه های سبک تر نظیر o،h و oh غلبه دارند در حالی که در سرعت های پایین جریان ورودی، واکنش ها به تولید گونه های سنگین نظیر h2o، ho2 و h2o2 تمایل بیشتری دارند. در ادامه تاثیر نسبت هم ارزی و عرض کانال نیز بر روی دامنه و فرکانس این پدیده بررسی می گردد. نتایج این بررسی نشان می دهند که با افزایش نسبت هم ارزی و عرض کانال، دامنه پدیده خاموشی اشتعال مکرر افزایش و فرکانس آن کاهش می یابد. یکی از پدیده های مهم در دینامیک خاموشی- اشتعال مکرر دو شاخه شدن جبهه شعله می باشد که این پدیده با استفاده از دیدگاه های هیدرودینامیکی و شیمیایی مطالعه می شود. ایجاد جریان برگشتی و تشکیل نواحی چرخشی در نزدیکی دیوار باعث دو شاخه شدن جبهه شعله می شود. در دیدگاه شیمیایی، مقدار کسر جرمی گونه های اکسیژن و آب در ناحیه بین دو جبهه شعله افزایش می یابد. با بررسی متغیر نرخ پیشرفت واکنش های مختلف مشاهده می شود که حضور گونه آب در ناحیه بین دو جبهه شعله می تواند عامل اصلی در دو شاخه شدن جبهه شعله باشد. با افزایش سرعت جریان ورودی و ایجاد تعادل بین مقیاس زمانی واکنش و مقیاس زمانی اقامت سیال در کانال، شعله ای پایا و متقارن درون کانال مشاهده می شود. در این حالت مقدار بیشینه دما و کسر جرمی گونه ها بر روی خط تقارن کانال قرار دارد. براساس تحدب شعله نسبت به مخلوط ورودی (واکنشگرها) شعله های قارچی شکل و لاله ای شکل مشاهده می شود. در ادامه با افزایش سرعت جریان ورودی در یک کانال معین، سطح جبهه شعله افزایش می یابد. در این حالت سطح جبهه شعله مستعد ناپایداری می باشد و تحت تاثیر اغتشاشات موجود در کانال، جبهه شعله ناپایدار می شود. با مطالعه عدد لوئیس سوخت مشاهده می شود که علت این ناپایداری تقابل بین نفوذ حرارتی و نفوذ جرمی (ناپایداری نفوذی-حرارتی) می باشد که تحت تاثیر اغتشاشات میدان جریان منجر به ناپایدار شدن جبهه شعله می شود. با بررسی نتایج بدست آمده، مشاهده گردید که چنانچه سطح شعله 1/1 برابر عرض کانال باشد جبهه شعله مستعد ناپایدار شدن می باشد و در حالت پایدار ثانویه به شکل نامتقارن قرار می گیرد و شعله های پایا نامتقارن درون کانال ایجاد می شوند. در بخش دوم کار حاضر، اندرکنش حرارتی بین دیوار و جریان در یک میکرو کانال بررسی می شود. به منظور این مطالعه، تاثیر پارامترهای ضخامت دیوار، سرعت جریان ورودی، ضریب رسانش حرارتی دیوار و ضریب انتقال حرارت جابجایی برای سه عرض کانال بررسی می شود. با استفاده از نتایج حاصل از شبیه سازی مشاهده می شود که در کانال های با عرض کوچک (4/0 میلی متر)، رژیم پایای متقارن رژیم غالب درون کانال می باشد اما با افزایش عرض کانال تا مقادیر 1 میلی متر به علت اینکه سطح جبهه شعله درون کانال افزایش می یابد، رژیم پایای نامتقارن غالب خواهد شد. در هندسه میکرو کانال، با افزایش ضخامت دیوار از 2/0 میلی متر تا 1 میلی متر، میزان انتقال حرارت رسانشی منتقل شده در راستای طولی افزایش و در نتیجه جبهه شعله به بالادست جریان منتقل می شود. همچنین با افزایش ضریب انتقال حرارت رسانشی، توزیع دما درون دیوار به صورت یکنواخت تر در می آید که منجر به کاهش دمای بیشینه در دیوار می شود و باعث انتقال جبهه شعله به پایین دست جریان می شود.
