فهرست مطالب

سوخت و احتراق - سال سیزدهم شماره 4 (پیاپی 33، زمستان 1399)

نشریه سوخت و احتراق
سال سیزدهم شماره 4 (پیاپی 33، زمستان 1399)

  • تاریخ انتشار: 1399/11/02
  • تعداد عناوین: 7
|
  • جاماسب پیرکندی*، مصطفی محمودی صفحات 1-25

    د در این مقاله، فرایند احتراق در یک موتور اسکرم جت DLR با لحاظ کردن مکانیزم شیمیایی چندواکنشی مدل سازی و تحلیل شده است. تحلیل انجام شده به کمک نرم افزار فلوینت و به صورت دوبعدی و سه بعدی انجام شده است. نتایج تحقیق نشان می دهد که عملکرد کلی موتور اسکرم جت در حالت سه بعدی شبیه به حالت دوبعدی است. مقدار نیروی پیش رانش و بازده احتراق در شبیه سازی سه بعدی به ترتیب 0.9% و 1.4% با حل دوبعدی تفاوت دارد. به منظور درنظرگرفتن اثر تعداد واکنش ها بر روی فرایند احتراق، احتراق هیدروژن به صورت دوبعدی با 19 زیرواکنش نیز شبیه سازی شده است. نتایج حل نشان می دهند که عملکرد کلی اسکرم جت در حالت ت ک واکنشی و چندواکنشی مشابه است. بررسی ها نشان می دهد نیروی پیش رانش و بازده احتراق در حالت چندواکنشی به ترتیب 4/1% و 4/4% با حالت تک واکنشی فرق دارند. در نقاطه مقابل، ناحیه فروصوت در حالت سه بعدی و چندواکنشی به ترتیب 48.9 و 17.7 درصد بیشتر از حالت پایه امتداد پیدا کرده است.

    کلیدواژگان: احتراق مافوق صوت، اسکرم جت، شبیه سازی عددی، جریان آشفته
  • محمدرضا انصاری*، زهرا علیزاده کاکلر صفحات 25-42

    میدان جریان دوفازی در بالادست روزنه تخلیه اتمایزر مایع هوادهی شده، در دبی مایع 0.38 لیتر در دقیقه و در نسبت های دبی جرمی گاز به مایع مختلف 0.32%،0.62% و 1.24% به صورت عددی مطالعه شده است. شبیه سازی سه بعدی جریان داخل اتمایزر با استفاده از روش حجم سیال انجام شده است. به دلیل سرعت بالای گاز هواده در روزنه های خروجی لوله هوادهی، این گاز در همه نسبت های هوادهی به صورت گاز ایده آل فرض شده است. نتایج مطالعه برای هر نسبت هوادهی به صورت کانتورهای کسر حجمی گاز نیتروژن در زمان های مختلف و کانتورهای سرعت ارایه شده است. کانتورهای کسر حجمی گاز نیتروژن، مطابق نتایج تجربی، نشان دهنده حاکم بودن رژیم جریان حلقوی در درون مجرای تخلیه اتمایزر شبیه سازی شده در همه نسبت های هوادهی مورد بررسی است. هم چنین، مشاهده شد که با افزایش میزان هوادهی، علاوه بر کاهش ضخامت فیلم مایع در مجرای تخلیه، تغییرات این ضخامت در طول مجرا نیزکاهش می یابد. از این رو، می توان پیش بینی کرد که قطرات اسپری حاصل از اتمایزر مایع هوادهی شده در نسبت های هوادهی بالاتر، به دلیل کاهش ضخامت فیلم مایع در مجرای تخلیه، ریزتر بوده و به دلیل کم تر شدن تغییرات ضخامت فیلم مایع درون این مجرا، یکنواخت تر باشد.

    کلیدواژگان: اتمایزر مایع هوادهی شده، جریان دوفازی، نسبت دبی جرمی گاز به مایع، روش حجم سیال
  • روزبه شفقت*، صالح طالش امیری، امید جهانیان صفحات 43-62

    کاهش مصرف سوخت و آلایندگی ها و نیز افزایش توان و بازدهی از اهداف مهم پژوهش های حوزه   موتورهای درون سوزند.  با توجه به اثرات مثبت افزودن آب به مخلوط سوخت و هوای ورودی از منیفولد یک موتور درون سوز دماپایین، این مقاله به اثر تغییر دمای آب اضافه شده به سوخت اکتان بالا در یک موتور درون سوز اشتعال تراکمی با واکنش پذیری کنترل شده و سوخت دوگانه بنزین-دیزل می پردازد. دمای آب در بازه ی 20 تا 60 درجه   سلسیوس تغییر می کند.در این راستا، در حالی که مشخصه توان خروجی تقریبا ثابت نگه داشته شده است، آب با نسبت های جرمی مختلف جایگزین بنزین می شود، به گونه ای که میزان کاهش سوخت معادل مقدار آب افزوده باشد، اما جرم سوخت دیزل بدون تغییر باقی می ماند. برای شبیه سازی عددی، از نزم افزار AVL-Fire به صورت کوپل با کد سینتیک مفصل شیمیایی استفاده شد. با مقایسه نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی در شرایط مشابه، نتایج عددی اعتبارسنجی شدند. نتایج نشان می دهند، با افزایش نسبت جرمی آب تا 10درصد، فشار و دمای محفظه احتراق و نیز آلایندگی اکسیدهای نیتروژن به حد قابل توجهی افزایش می یابد، ولی با افزایش آب تا نسبت جرمی 15درصد، روند کاهشی دیده می شود. ادامه روند افزایش نسبت جرمی آب تا 20 درصد دوباره روند افزایشی را درپی دارد، با این تفاوت که در این نسبت جرمی دمای محفظه احتراق و آلایندگی اکسیدهای نیتروژن، علی رغم افزایش مشخصه های توان، افزایش چشم گیری نداشته اند. در ادامه، با درنظرگرفتن نسبت جرمی 20 درصد، بررسی اثرات افزایش دمای آب اضافه شده روند رو به بهبودی را نشان می دهد، به طوری که بیشینه میانگین فشار داخل محفظه احتراق افزایش یافته، منجربه افزایش جزیی فشار متوسط موثر اندیکاتوری می شود. ازطرفی، به دلیل افزایش سطح تکمیل احتراق، آلایندگی CO به حد چشم گیری کاهش می یابد. همچنین، مصرف سوخت ویژه اندیکاتوری تا مقدار 2 درصد کاهش می یابد.

    کلیدواژگان: RCCI، پاشش آب، دمای آب، فشار موثر متوسط اندیکاتوری، مصرف سوخت
  • مسعود عیدی عطارزاده، محمد فرشچی*، عطیه سرآبادانی، حامد خسروبیگی، غزال داورنیا، علیرضا رمضانی صفحات 63-78

    استفاده از احتراق پیشرانه های خودمشتعل در رانشگرها، به دلیل دمای بالای محصولات احتراق، سبب افزایش ضربه ویژه می شود. در این مقاله، با استفاده از یک نرم افزار توسعه داده شده، فرایند احتراق درون رانشگر دومولفه ای به صورت یک بعدی و با استفاده از سینتیک شیمیایی شبیه سازی می شود. در این راستا، مدل هایی برای پاشش، تبخیر قطرات، تشکیل فیلم مایع و محاسبات مربوط به انتقال حرارت از فیلم های مایع و گازی و احتراق به کار گرفته شده است. با استفاده از این نرم افزار، رفتار رانشگر آستریوم با سوخت منومتیل هیدرازین و اکسنده تتراکسید نیتروژن شبیه سازی شده است. با بهره گیری از مکانیزم شیمیایی گسترده 1619مرحله ای، نتایج شبیه سازی عملکرد رانشگر در دبی های مختلف اعتبارسنجی شده است. سپس، اثر ابعاد هندسی پاشنده بر فرایند تبخیر قطرات و نیز احتراق مورد بررسی دقیق قرار گرفته است. نتایج نشان می دهد که بزرگ شدن پاشنده سبب افزایش طول تبخیر قطرات شده و ساختار شعله درون محفظه احتراق تغییر می کند، به نحوی که محصولات احتراق با دمای بالاتر وارد نازل شده و درنتیجه ضربه ویژه رانشگر افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: تراستر، رانشگر، خودمشتعل، پاشنده پیچشی، منومتیل هیدرازین، تتراکسید نیتروژن
  • حسین هنردار، سید عبدالمهدی هاشمی * صفحات 79-95

    احتراق مخلوط واکنش دهنده های ناهمگن نوعی از احتراق است که در آن اختلاط سوخت و هوا به طور کامل انجام نمی شود. این تحقیق به بررسی عددی اثر مکان پیلوت بر بلندشدگی شعله جت آشفته با سطوح مختلف ناهمگنی در محفظه احتراق پرداخته است. در این بررسی عددی، از مدل سازی معادلات ناویراستوکس به روش میانگین گیری رینولدز و مدل سازی آشفتگی k-ε استاندارد و مدل سازی جریان واکنشی روش اتلاف گردابه ای EDC استفاده شده است. مشاهدات نشان می دهد که ارتفاع بلندشدگی شعله با افزایش طول ناهمگنی کاهش یافته و در طول ناهمگنی مشخصی که وابسته به نسبت هم ارزی و مکان پیلوت است، شعله به پایه می چسبد. در تمام حالات مورد بررسی، محدوده ای از طول های ناهمگنی یافت شد که در این طول ها شعله چسبیده بود. نتایج نشان می دهد که ارتفاع بلندشدگی شعله در حالت غیرپیش مخلوط بیشتر از حالتی است که مخلوط سوخت و هوا به صورت تقریبا پیش مخلوط در محفظه مشتعل می شوند. هرچه نسبت هم ارزی افزایش پیدا می کند، ارتفاع بلندشدگی کمتر می شود. براساس سه مکان مورد بررسی در دیوار جانبی برای مکان پیلوت و نتایج به دست آمده، پیلوتی که در محدوده وسط دیوار جانبی بود ارتفاع بلندشدگی کمتر و محدوده چسبیدن شعله بیشتری داشت. همچنین، ناحیه شعله در داخل محفظه با تغییر طول ناهمگنی تغییر می کند.

    کلیدواژگان: پیلوت، ناهمگنی، احتراق آشفته، ارتفاع بلندشدگی، محفظه احتراق
  • مجید آقایاری *، حسین عشینی، عباس احسانی، محمد شهسواری، همایون افشار، سید محمد طباطبایی، حسن نیک پی صفحات 97-115

    بهینه سازی و کاهش مصرف سوخت و در نتیجه حفظ منابع اقتصادی ملی، از اهداف مهم در اقتصاد هرکشوری است که در سال های اخیر در ایران نیز حایز اهمیت شده است. استفاده از گاز طبیعی بجای سوخت مایع (مازوت) و کاهش مصرف انرژی در صنایع انرژی بری همچون سیمان می تواند از راه حل های مناسب برای دستیابی به این خواسته باشد. هدف از مطالعه حاضر بهینه سازی مصرف انرژی و کاهش آلاینده های حاصل از احتراق در کلساینر کارخانه سیمان هرمزگان می باشد. برای این منظور ابتدا با استفاده از شبیه سازی های عددی میدان جریان احتراقی و فرآیند کلسیناسیون مدل سازی شده است. سپس با ارایه راهکارهای مهندسی و بررسی به کمک ابزار شبیه سازی عددی، بهینه سازی مصرف انرژی و حداقل سازی تولید آلاینده انجام شده است. در ادامه راهکار پیشنهادی به صورت عملیاتی در سایت مربوطه اجرا شده و صحت بهینه سازی های فوق ارزیابی شده است. مطالعه حاضر منتج به کاهش 6% مصرف انرژی در سایت مربوطه شده است.

    کلیدواژگان: کلساینر، مصرف انرژی، آلاینده، شبیه سازی های عددی
  • کیومرث مظاهری*، علی زارعی صفحات 117-138

    مسایل زیست ‌ محیطی و آلودگی هوا در سال‌های اخیر توجه بسیاری را به خود جلب کرده است. نیروگاه‌های حرارتی ازجمله عوامل آلوده‌کننده هوایند. یکی از راهکارهایی که برای احتراق بهتر و آلایندگی کمتر در سیستم‌های احتراقی، ازجمله توربین‌های گاز، به کار رفته ایده افزودن بخار آب است. در این تحقیق، مد نظر بوده تا با ایده افزودن بخار آب به توربین گازی کاری مشابه در دیگ‌های بخار انجام شود که برای این کار یک محفظه احتراق تک مشعل متقارن محوری 11 مگاواتی با استفاده از نرم‌افزار متن‌باز OpenFoam و حلگر ReactingFoam مدل شده ‌است. برای شبیه‌سازی، معادلات بقای جرم، تکانه، انرژی و گونه به‌صورت کوپل باهم حل شدند و تصحیح فشار در معادلات تکانه طبق الگوریتم PIMPLE انجام‌ شده است. مدل به کاررفته برای اغتشاش مدل ، مدل تشعشعی fvDOM، مدل احتراقی استفاده‌شده PaSR و مکانیزم واکنش GRI-3 بوده که شامل 53 گونه و 325 واکنش است. برای اعتبارسنجی حلگر و مدل‌های به کاررفته، از مسئله معیاری استفاده شده که یک مشعل ساده بوده و نتایج تجربی آن موجود است. بعد از اثبات صحت حل، مسئله ذکرشده شبیه‌سازی شد که مشاهده شد در محفظه احتراق در حالت هوای خشک دما و به‌تبع آن ناکس تولیدی زیاد است. دمای شعله در محفظه بعد از تزریق بخار در سه نسبت 5، 10 و 15 درصد از کل هوای ورودی کمتر شده به صورتی که دمای شعله 370 درجه کلوین پایین آمد و همچنین مقدار NO خروجی 81 درصد و مقدار  خروجی 76 درصد کاهش پیدا کرد، اما مقدار خروجی OH 7/2 برابر شد. در عین ‌حال، آلایندگی‌های کربنی و به‌طور خاص برای گونه CO، که مورد توجه تحقیق حاضر است، 58 درصد افزایش یافت و به مقدار ppm 17 رسید، اما همچنان از استاندارهای ملی و اروپایی بسیار کمتر بود.

    کلیدواژگان: دیگ بخار، نیروگاه، انرژی، شبیه سازی، مشعل
|
  • jamasb pirkandi *, Mostafa Mahmoodi Pages 1-25

    In this investigation, the combustion process in DLR scramjet is simulated and studied by considering multi-stage reaction mechanism. This study is conducted both three-dimensionally and two-dimensionally with the help of Fluent. The results indicate that the general performance of the scramjet is nearly the same for both the two-dimensional and three-dimensional cases, that is to say the difference between calculated thrust and combustion efficiency in these two cases is only 0.9% and 1.4%, respectively. To consider the effect of the chemical mechanism on the obtained results, a two-dimensional simulation of the scramjet is done with a detailed chemical mechanism, which includes 19 reactions. The results illustrate that the general performance of the scramjet is nearly the same. More accurately, the difference between thrust and combustion efficiency in the one-reaction and the multi-reaction cases is only 1.4% and 4.4%, respectively. In contrast, the subsonic region behind the strut in three-dimensional case and multi-stage reaction mechanism case are 48.9% and 17.7% longer than the base case, respectively.

    Keywords: Supersonic combustion, Scramjet, numerical simulation, Turbulent Flow
  • Mohammad Reza Ansari *, Zahra Alizadeh kaklar Pages 25-42

    Two-phase flow field upstream of the discharge orifice of effervescent atomizer has been numerically studied at 0.38 L/min liquid flow rate and different gas to liquid mass ratios of 0.32%, 0.62%, and 1.24%. The internal flow of the atomizer has been three-dimensionally simulated using the volume of fluid method. Aeration gas is considered as an ideal gas at all aeration levels due to the high velocity of it at the exits of the aerating tube. At any aeration level, the simulation results have been represented by the contours of nitrogen volume fraction at different times and the contours of velocity. At all considered aeration levels, according to experimental results, the contours of nitrogen volume fraction show the annular flow regime is dominant in the discharge passage of the simulated atomizer. Also, by increasing the aeration level, both the liquid film thickness in the discharge passage and changes of it along the passage will be decreased. Therefore, it can be expected the spray of the effervescent atomizer at high aeration levels be finer due to a reduction of the liquid film thickness in the discharge passage and more uniform due to fewer changes in the liquid film thickness in this passage.

    Keywords: Effervescent atomizer, Two-phase flow, Gas-Liquid ratio (GLR), Volume of fluid (VOF) method
  • Rouzbeh Shafaghat *, Saleh Talesh Amiri, Omid Jahanian Pages 43-62

    Reducing fuel consumption and emissions, as well as increasing the power and efficiency, have always been important in IC engines researches. Due to the positive effects of adding water to the inlet fuel-air mixture through the manifold of a low-temperature engine, the effect of the temperature of water added to the low-reactivity fuel in an RCCI engine with gasoline-diesel dual-fuel has been investigated. The water temperature varies between [20-60]oC. Water is substituted for gasoline with different mass-ratios; so that the reduction of fuel will be equal to the amount of water added. For numerical simulation, the AVL-Fire was used as a couplet with the detailed chemical kinetics code. For validation, numerical results are compared with similar experimental data. The results show that by increasing the mass-ratio of the replaced water up to 10%, the in-cylinder pressure and temperature as well as the NOx increase significantly; but with an increase in mass-ratio to 15%, a decreasing trend is seen. With the increase in the mass-ratio to 20%, it will again lead to an increasing trend; however, at this mass-ratio, the in-cylinder temperature, and the NOx have not increased significantly, despite the increase in power characteristics. Then, considering the mass-ratio of 20%, the evaluation of water temperature increasing shows an improving trend; so that the maximum average in-cylinder pressure is increased and leads to a slight increase in the IMEP. Also, due to the increase in combustion quality, CO is significantly reduced, as well as the ISFC is reduced up to 2%.

    Keywords: RCCI, water injection, Water temperature, Indicated Mean Effective Pressure, Fuel consumption
  • Masoud EidiAttarZade *, Mohammad Farshchi, Atiyeh Sarabadani, Hamed KhosroBeygi, Ghazal DavarNia, AliReza Ramezani Pages 63-78

    Combustion of hypergolic propellants increases the specific impulse in the thrusters due to high temperature products. In this paper, the combustion process will be investigated through the axis of a bi-propellant thruster by an in-house code with chemical reaction mechanism. This code includes several models for injection, droplet evaporation, liquid film, combustion and heat transfer through liquid and gas films. The Astrium thruster with MMH as fuel and NTO as oxidizer has been simulated. By implementing a detail mechanism with 1619 steps, the thruster has been simulated at different total mass flow rates and results have been validated by experimental data. Then, injector dimension effects on the droplet evaporation and combustion have been investigated. Results show that by increasing the injector dimension, the droplet evaporation length increases, so the flame structure changes in the combustion chamber. Therefore, the combustion products enter the nozzle with higher temperature and as a result, the thruster specific impulse increases.

    Keywords: Thruster, Hypergolic, Swirl Injector, Monomethylhydrazine, Nitrogen Tetroxide
  • hossein honardar * Pages 79-95

    Combustion of a mixture of inhomogeneity reactants is a type of combustion in which the mixing of fuel and air is not complete. This study investigated the numerical effect of the pilot location on the turbulent jet flame lift off height with different levels of inhomogeneity in the combustion chamber. The effect of different equevalence ratios has also been investigated. In this numerical study, the configuration modeling of Navier Stokes equations using Reynolds averaging method, standard k-ε turbulence and reactive flow modeling of Eddy Dissipation Concept (EDC) method have been used. Observations show that the flame lift off height decreases with increasing inhomogeneity length and the flame attach during a certain inhomogeneity length, which depends on the equevalence ratio and pilot location. In all of the cases studied, a range of inhomogeneity lengths was found during which the flame was attached. The results show that the flame lift off height in nonpremixed mode is higher than in the case where the fuel-air mixture ignites almost premixed in the chamber. The higher the equevalence ratio, the lower the flame lift off height. Based on the three locations studied in the side wall for the pilot location and the results obtained, the pilot in the middle area of the side wall had a lower flame lift off height and a higher attached flame range. Also, the flame area inside the chamber changes as the inhomogeneity changes.

    Keywords: pilot, Inhomogeneity, Turbulent Combustion, lift off height, Combustion chamber
  • majid Aghayari *, hossein Ashini, Abbas Ehsani, Mohammad Shahsavari, homayoun Afshar, Seyed Mohammad Tabatabaei, Hassan nikpey Pages 97-115

    Optimizing and reducing the fuel consumption and thus preserving national economic resources is one of the important goals in the economy of any country. Using the natural gas instead of liquefied petroleum fuels and reducing energy consumption in industries such as cement can be a practical solution to meet the above-mentioned goals. In this study, numerical simulations are performed to enhance combustion and calcination processes in the Hormozgan cement plant calciner. To such aim, various optimizations are carried out to replace highly pollutive expensive, mazot fuel with natural gas and to improve calcination and combustion processes. Obtained results show that proposed modifications give the calciner the capability to be operated by 100% natural gas, while they reduce the energy consumption and pollutant emissions significantly. Finally, the best proposed case is implemented in the cement calciner to replace mazot by natural gas and reduce energy consumption and pollutant emissions. Site data clearly validate the proposed modifications to be effective enough to achieve all the objectives of the project.

    Keywords: Calciner, energy consumption, Pollution, Numerical Simulations
  • kiumars mazaheri *, ali zarei Pages 117-138

    Environmental issues and air pollution have attracted a lot of attention in recent years. Thermal power plants are among the air pollutants. One of the solutions used for better combustion and less pollution in other combustion systems, including gas turbines, is the idea of ​​water vapor injection. In this study, it was considered that with the idea of ​​adding water vapor to the gas turbine, a similar work would be done in the boilers, for which in this research, a 11 Megawatts single axisymmetric burner in the form of two dimension is modeled using the open source software OpenFoam and the ReactingFoam solver. For simulation, the equations for mass, momentum, energy, and species conservation were solved together as a coupling, and the pressure corrections in the momentum equations was performed according to the PIMPLE algorithm. The model used for the turbulence is the  model, the radiation model fvDOM, the combustion model used PaSR model and the reaction mechanism GRI-3, which includes 53 species and 325 reactions. To validate the solver and the models used, a standard problem was used which is a simple burner and its experimental results are available. After proving the correctness of the solution, the mentioned problem was simulated. It was observed that in the dry air combustion chamber, the temperature and, consequently, the NOx output are high. The flame temperature decreased after the steam injection in three proportions by 5, 10, and 15% of the total inlet air, so that the temperature in the axisymmetric boiler decreased by 370 Kelvin. Also, in the axisymmetric boiler, the amount of NO output decreased 81 % and the amount of output decreased 76%. However, carbon pollutants, specifically for CO which was important in this studyincreased by 58% to 17 ppm but was still much lower than national and European standards.

    Keywords: boiler, power plant, energy, simulation, burner, solver