فهرست مطالب

نشریه سوخت و احتراق
سال چهاردهم شماره 4 (پیاپی 37، زمستان 1400)

  • تاریخ انتشار: 1401/03/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سعیدرضا زادسیرجان*، صادق تابع جماعت، مسعود عیدی عطارزاده صفحات 1-18
    شکل گیری هسته خوداشتعالی ناشی از جت گاز دما بالا با استفاده از روش تجربی انجام شده است. ترکیبات جت، محصولات احتراق غنی از سوخت هستند که ناشی از احتراق گاز طبیعی و هوا با نسبت هم ارزی غنی از سوخت در یک محفظه احتراق است. اختلاط جت دما بالا با ترکیبات قابل اشتعال با هوای محیط در شرایط محلی مناسبی می تواند منجربه خوداشتعالی شود. جت گاز داغ از یک طریق یک لوله با قطر 13 و 20 میلی متر به هوا تخلیه می شود. عدد رینولدز جت، نسبت هم ارزی محفظه احتراق و دمای جت متغیرهای اصلی در این مطالعه اند. با استفاده از فیلم برداری سرعت بالا پدیده تشکیل هسته خوداشتعالی آشکارسازی شده است. مشاهدات نشان می دهند که رفتار تشکیل شعله یا هسته خوداشتعالی و همچنین خاموشی و عدم وقوع اشتعال را می توان به پنج دسته طبقه بندی کرد: 1-بدون احتراق 2- شعله نفوذی چسبیده به نازل 3- شعله نفوذی برخاسته 4- شعله نفوذی ناپایدار 5- تشکیل هسته خوداشتعالی تصادفی . موضوع اصلی این آزمایش بررسی دسته پنجم است. عمر هسته خوداشتعالی، محل وقوع، و فرکانس شکل گیری با کمک تصویربرداری سرعت بالا و پردازش تصویر توسط کد توسعه یافته در آزمایشگاه احتراق دانشگاه امیرکبیر پس پردازش شده است.
    کلیدواژگان: هسته خوداشتعالی، جت آشفته، تست تجربی، اشتعال، خاموشی
  • الهام موسوی، داود حاجیان، رامین کریم زاده* صفحات 19-36

    چند نمونه کربن فعال ارزان قیمت از پسماند گلاب گیری به روش فعال سازی شیمیایی توسط عامل فعالساز KOH با نسبت های عامل فعال ساز به پسماند گلاب گیری مختلف (5/0، 1 و 2) با نام های (ACR-0.5,ACR-1, ACR-2) تولید شد. یکی از نمونه ها توسط نانو ذرات مس بارگذاری شد. نمونه های تولید شده توسط روش های مختلفی از جمله FESEM، FTIR و BET آنالیز شدند. نمونه ها در گوگردزدایی از سوخت مدل شامل نرمال هپتان و ترکیب گوگرددار 4و6-دی متیل-دی بنزوتیوفن (4,6-DMDBT) مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج نشان داد که نمونه های ACR با مساحت سطح بین 1330 تا 2155 متر مربع بر گرم به دست آمده اند. مساحت سطح BET و حجم حفره ها با افزایش نسبت عامل فعال ساز و بارگذاری مس افزایش پیدا کرد. بیشتر از 95% حداکثر ظرفیت جذب نمونه های مختلف در 10 دقیقه ابتدای آزمایش جذب بدست می آید. بازدهی نمونه های کربن فعال با افزایش نسبت عامل فعال ساز و بارگذاری مس، افزایش یافت. ترتیب جذب 4,6-DMDBT: ACR-2-Cu> ACR-2> ACR-1> ACR-0.5 است. حداکثر ظرفیت جذب نمونه ACR-2-Cu، به دلیل حجم حفرات میکرو و حضور نانو ذارت مس mg S/g 24 است. داده های سینتیکی به خوبی توسط مدل های شبه مرتبه اول و مرتبه دوم توصیف شدند و داده های جذب تعادلی نیز به خوبی توسط مدل های لانگمیر و فرندلیچ برای تخمین پارامترهای جذب، برازش شدند.

    کلیدواژگان: پسماند گلاب گیری، کربن فعال، گوگردزدایی، 4و6-دی متیل دی بنزوتیوفن، جذب سطحی
  • احسان بهزاد*، رضا ابراهیمی صفحات 37-60
    یکی از روش های بررسی ناپایداری احتراق، شبیه سازی پاسخ شعله نسبت به نوسان های آکوستیکی است. در تحقیق حاضر به منظور مدل سازی نوسان های آکوستیکی، از روش تهییج مصنوعی «سرعت هارمونیک تک فرکانس» در راستای طولی استفاده شده است. بررسی اثر این نوسان بر شعله، با حل عددی LES و در قالب تابع پاسخ شعله (FTF) بیان می شود که سینتیک شیمیایی و مدل احتراقی، اثر به سزایی در تعیین این تابع دارند. نتایج شبیه سازی احتراق برای شعله پیش مخلوط متان نشان داد با اینکه مدل احتراقی EDC  همراه با سینتیک شیمیایی 17 جزیی و 73 واکنش نسبت به مدل احتراقی TF همراه با سینتیک شیمیایی 6 جزیی و 2 واکنش، 2 برابر هزینه محاسباتی بالاتری دارد، اما خطای حل عددی برای محاسبه تابع FTF را تا زیر 5 درصد کاهش می دهد. پس از شبیه سازی بر اساس تبدیل سریع فوریه از FTF، دامنه و فاز این تابع محاسبه می شود که دامنه FTF دو مقدار بیشینه در20-30 هرتز و 170 هرتز و یک نقطه کمینه در 80-110 هرتز را نشان می دهد. ناپایداری احتراق از طریق حل معادله آکوستیک (هلمهولتز) و جایگذاری دامنه و فاز تابع FTF به عنوان ترم آزادسازی حرارت در این معادله قابل بررسی است.
    کلیدواژگان: ناپایداری احتراق، تابع پاسخ شعله، سینتیک شیمیایی، مدل احتراقی
  • علی اکبر جمالی*، رضا زمانی صفحات 61-84

    طراحی راکت هایی با وزن کم موتور و قدرت بالا، زمینه ساز ابداع طرح های جدیدی از موتورهای راکت توسط پژوهشگران شد. طرح پیشران ترکیبی ناظر بر احتراق هم زمان سوخت و اکسیدکننده پیشرانه جامد و مایع در محفظه احتراق است. مدل سازی احتراق هم زمان پیشرانه جامد و مایع در محفظه انجام شد و با اعمال فرضیات ساده کننده به کمک کدهای رایانه ای مناسب در برنامه متلب، رفتار دینامیکی سامانه تحلیل شد. متعاقب مدل سازی و در روند شبیه سازی عددی، ضمن اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی کار حاضر با فعالیت عددی و تجربی، ترکیب درصدهای مختلف پیشرانه های جامد و مایع برای جرم های 250، 500، 750 و 1000 کیلوگرم از سامانه ها در نظر گرفته شد. مشاهده شد که با افزایش درصد پیشرانه جامد تا 60 درصد، نیروی پیشران بیشینه به حداکثر می رسد و در مقابل، زمان روشن ماندن موتور کاهش می یابد. با افزایش درصد پیشرانه جامد، ضربه کل افزایش و ضربه ویژه کاهش می یابد. در مقایسه ای دیگر، برای پیشران ترکیبی با 150 کیلوگرم پیشرانه جامد و 100 کیلوگرم پیشرانه مایع، دبی تزریق پیشرانه مایع در سه مقدار 4، 8 و 16 لیتر بر ثانیه تنظیم شد. نتایج نشان داد که با افزایش دبی، نیروی پیشران بیشینه افزایش و ضربه کل کاهش یافته است. ضربه ویژه با تغییرات دبی، تغییر محسوسی نداشته است.

    کلیدواژگان: راکت، پیشران ترکیبی، احتراق همزمان، نیروی پیشران، ضربه ویژه
  • حسین سلطانیان، محمد ضابطیان طرقی*، مهدی معرفت صفحات 85-99

    در تحقیق حاضر یک مشعل متخلخل خانگی با سوخت گاز طبیعی جهت برآورد انتقال حرارت و سطح آلاینده های آن  مورد بررسی آزمایشگاهی قرار گرفته است. مطابق استاندارد ملی، یک ظرف استاندار حاوی آب جهت انجام آزمون های بازده حرارتی، انتقال حرارت و آلاینده ها مورد استفاده قرار گرفته است. محیط متخلخل مورد استفاده از جنس سیلیکون کارباید بوده و بر روی بستر آزمونی که به همین منظور طراحی و ساخته شده، نصب شده است. ظرف حاوی آب در طی یک فرایند گرمایشی و در محدوده ی کاری از نرخ آتش مشعل، بیشترین بازده حرارتی خود را با مقدار 29% و برای فاصله ی منتخب D=1.5 cm بین سطح مشعل و کف ظرف به دست آورده است. این بازده، با کمترین میزان انتشار آلاینده های NOx و CO که به ترتیب 2.2ppm و  4ppm است، نیز همراه است. همچنین انتقال حرارت همرفتی کف ظرف و دیواره ی آن به ترتیب 58%  و 28%  به همراه تابش از سطح و تابش شعله که به ترتیب 2% و 12% کلی انتقال حرارت را به خود اختصاص می دهند. در آزمایش دیگر با ثابت بودن توان حرارتی مشعل، نسبت هم ارزی مشعل مورد بررسی قرار گرفته و بیشترین بازده حرارتی، متناظر با φ=0.998 و برابر با 23.9% به دست آمده است. به دست آوردن محدوده ی مناسب عملکردی مشعل متخلخل خانگی از سه جنبه ی نسبت هم ارزی، نرخ آتش (توان) و میزان تولید آلاینده در کنار تحلیل انتقال حرارت از منظر جابجایی و تشعشع سهم اصلی این تحقیق است.

    کلیدواژگان: گاز طبیعی، مشعل متخلخل، بازده حرارتی، انتقال حرارت همرفت، تابش
  • علیرضا مستوفی زاده، قاسم مشیر، مهرداد بزاززاده صفحات 100-122

    افزایش سرعت انتشار شعله به کمک نیروی گریز از مرکز که توسط لوییس مطرح شده است، چالش جدیدی است که می تواند منجر به کاهش طول محفظه احتراق و در نتیجه افزایش نسبت نیروی جلوبرنده به وزن شود. در این تحقیق، اثر نیروی گریز از مرکز بر روی سرعت انتشار شعله در احتراق پیش آمیخته به کمک شبیه سازی گردابه های بزرگ (LES) احتراق پیش آمیخته مخلوط هوا - پروپان در یک لوله دوبعدی با دو انتهای بسته و در بستر نرم افزار متن باز اوپنفوم بررسی شد. مقایسه نتایج حاصل از حل عددی با نتایج آزمایشگاهی، حدود 8 درصد خطا را در بحرانی ترین شتاب گریز از مرکز (3000 متر بر مجذور ثانیه) نشان داد. به‌منظور بررسی تاثیر مدل اغتشاشی، شبیه سازی احتراق به کمک مدل اغتشاشی k-e نیز برای شتاب گریز از مرکز 3000 متر بر مجذور ثانیه با مدل LES مقایسه شد و ملاحظه شد که شبیه سازی گردابه های بزرگ، سرعت انتشار و چین خوردگی سطح شعله را با دقت بالاتری مدل‌سازی می کند. بررسی پارامتر چین‌خوردگی سطح شعله، نشان داد که در شتاب گریز از مرکز 4000 متر بر مجذور ثانیه‌، چین خوردگی سطح شعله به‌طور ناگهانی افزایش و سپس به سرعت کاهش می یابد که به نوعی خاموشی شعله را در شتاب گریز از مرکز مورد نظر نشان می دهد. سپس اثر طول لوله بر روی سرعت انتشار شعله و چین خوردگی سطح شعله در شتاب 2000 متر بر مجذور ثانیه بررسی شد و ملاحظه شد با افزایش طول لوله و افزایش فاصله از مبدا دوران، نیروی گریز از مرکز القایی افزایش و در نتیجه سرعت انتشار و چین خوردگی افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: نیروی جلوبرنده، احتراق، پیش آمیخته، اوپن فوم، چین خوردگی
  • محمد مهدی صالحی، حسن عطائی زاده صفحات 124-145

    این مقاله با دو هدف مرور ادبیات روش‌های مدل‌سازی احتراق بر مبنای فرض ریزشعله آرام و همچنین پیاده سازی، به‌کارگیری و آنالیز حساسیت یکی از این روش‌ها برای شبیه‌سازی شعله‌های پیش‌مخلوط نوشته شده است. امروزه یکی از قابل اعتمادترین روش‌ها برای شبیه‌سازی آشفتگی، روش شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ است. نظر به اینکه هزینه محاسباتی این روش به مراتب بیشتر از روش‌های معمول رینولدز- متوسط است، کم‌هزینه‌ترین و در نتیجه پرکاربردترین مدل‌های احتراقی در شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ روش‌هایی بر پایه فرض ریزشعه آرام است. این روش‌ها در عین حال محدودیت‌هایی نیز دارند که در این پژوهش به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار گرفته‌اند. روش خمینه تولیدی ریزشعله یکی از این روش‌هاست که در این پژوهش به کمک مدل شبیه‌سازی گردابه‌های بزرگ در یک شعله پشت جسم مانع مورد استفاده قرار گرفته است. نتایج نشان می‌دهد که دقت این روش حساسیت قابل توجهی به مدل زیرشبکه وردایی متغیر پیشرفت واکنش و ثابت آن دارد. مدل جبری تخمین وردایی زیرشبکه متغیر پیشرفت واکنش از دقت کافی برای شبیه‌سازی برخوردار نمی‎باشد، به‌گونه‌ای که طول شعله حدودا 30 درصد کمتر از مقدار واقعی پیش‌بینی‌ می‌شود و سرعت محوری در بعضی نقاط تا بیش از 60 درصد خطا دارد. از سوی دیگر در صورت حل معادله انتقال برای وردایی متغیر پیشرفت دقت نتایج شبیه‌سازی افزایش قابل ملاحظه‌ای دارد.

    کلیدواژگان: احتراق آشفته، مدل سازی احتراق، روش ریزشعله، شبیه سازی گردابه های بزرگ
|
  • Saeedreza Zadsirjan *, Sadegh Tabejamaat, Masoud Eidiattarzadeh Pages 1-18
    The non-premixed autoignition characteristic of a hot turbulent jet ejecting into the quiescent air was studied experimentally. The jet was the combustion product of fuel rich natural gas/air mixture burn in a thermally isolated combustion chamber. The combustion products discharge through a nozzle (13 and 20 mm in diameter) into the ambient air. The pre-chamber equivalence ratio, jet Reynolds number, and temperature are the governing parameters which are controlled by mass flow controller and thermocouples. The results of these experiments provide insight into the temporal and spatial non-premixed autoignition of the high-temperature combustible jet. Observations of ignition-flame formation –extinction behaviors of these jets are categorized into 1-no ignition 2- anchored diffusion flame 3- lifted diffusion flame 4- unstable diffusion flame 5- random autoignition kernel. The high-speed imaging helps to measure the location, lifetime and frequency of autoignition kernel using the in-house image processing developed code. Furthermore, the CH chemiluminescence imaging via an optical band-pass filter ensures that the jet composition is chemically quenched at the nozzle tip. The autoignition kernel can occur in radial and axial domain determined by the jet temperature and Reynolds number. The high-speed imaging shows that the most probable zone for autoignition kernel formation is on the jet axis and the jet Reynolds number has the major effect on axial distance. The jet temperature development merely extends this domain in the axial direction. Moreover, the temperature directly affects the lifetime and frequency of autoignition kernel.
    .
    Keywords: Autoignition kernel, Turbulent jet, Experimental test, Ignition, Extinction
  • Elham Moosavi, Davod Hajian, Ramin Karimzadeh * Pages 19-36

    Samples of low-cost activated carbons were synthesized from rose damascena waste by chemical activation using KOH as an activator with different KOH to rose damascena waste ratios (0.5, 1 and 2) as named ACR-0.5, ACR-1, ACR-2.  One sample was loaded with copper nanoparticles (ACR-2-Cu). The synthesized activated carbons have been characterized using FESEM (Field Emission Scanning electron microscopy), FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy) and BET surface area analyzer. All activated carbon samples were used in desulfurization of a model diesel fuel composed of n-Heptane   4,6-dimethyldibenzothiophene (4,6-DMDBT) as sulfur containing compound. Results showed that ACRs with BET surface areas up to 1330-2155  were obtained. The BET surface areas and pore volumes increased with KOH to rose damascena waste ratio and Cu functionalization. More than 95% of 4,6-DMDBT adsorption capacity was reached in the first 10 min of adsorption experiment. The efficiency of sulfur removal by ACR was increased by enhancement the KOH to rose damascena waste ratio and by Cu functionalization. The 4,6-DMDBT adsorption capacity follows the order: ACR-2-Cu> ACR-2> ACR-1> ACR-0.5. The maximum adsorption capacity of ACR-2-Cu sample to 4,6-DMDBT was 24 mg S/gr adsorbent and the adsorption capacity was related to the volume of narrow micropores and Cu nanoparticles. The kinetic data was well described by pseudo-second and first-order kinetic models and the equilibrium adsorption data was well fitted to the Langmuir and Freundlich models to estimate the adsorption parameters.

    Keywords: Rose Damascena waste, Activated carbon, Desulfurization, 6-dimethyldibenzothiophene, Adsorption
  • Ehsan Behzad *, Reza Ebrahimi Pages 37-60
    One of the methods of investigating combustion instability is to simulate the flame response to acoustic oscillations. In the present study, in order to model the acoustic oscillations, the artificial excitation method "single frequency harmonic velocity" in the longitudinal direction has been used. The effect of this oscillation on the flame is expressed by numerical solution of LES in the form of flame transfer function (FTF) that chemical kinetics and combustion model have a great effect on determining this function. The combustion simulation results for methane premixed flame showed that although the 17-component EDC combustion model has twice the computational cost compared to the 6-component TF combustion model, it reduces the numerical solution error for calculating the FTF function to less than 5%. After simulation by using Fourier transform of FTF, the amplitude and phase are calculated. The FTF amplitude shows two maximum values at 30-20 Hz and 170 Hz and a minimum point at 80-110 Hz. Combustion instability can be investigated by solving the acoustic equation (Helmholtz) and placing the amplitude and phase of the FTF function as the heat release term in this equation.
    Keywords: Combustion instability, Flame transfer function, chemical kinetics, Combustion model
  • AliAkbar Jamali *, REZA ZAMANI Pages 61-84

    The rocket design with low motor weight and more power paves the way for researchers to develop innovations in rocket engines. Combined propulsion design focuses on the simultaneous combustion of solid and liquid propellant components in the combustion chamber. In the present work, simultaneous combustion modeling of propellants (solid and liquid) was done. By writing house code and applying simplifying assumptions, the propulsion system behavior was analyzed. Different compositions were considered for systems with 250, 500, 750, and 1000 kg total mass of propellants. It shows by increasing the solid propellant percentage to 60%, "the maximum thrust" was reached its maximum value while decreasing the motor combustion time. When the solid propellant percentage increases, "total impulse" increases accordingly, and the specific impulse decreases. In another comparison, for a propellant combination with 150 kg of the solid propellant charge and 100 kg of liquid propellant charge, the injection rate related to liquid propellant was adjusted at 4, 8, and 16 liters per second. The results show by increasing injection rate, maximum thrust increased, and total impulse decreased. The "specific impulse" was almost constant.

    Keywords: Rocket, Combined Propellant, Simultaneous Combustion, Thrust, Specific Impulse
  • Hossein Soltanian, Mohammad Zabetian Targhi *, Mehdi Maerefat Pages 85-99

    This efficiency is also associated with the lowest emissions of NOx and CO pollutants, which are 2.2ppm and 4ppm, respectively. Also, the convective heat transfer of the bottom of the dish and its wall, respectively, 58% and 28%, along with radiation from the surface and flame radiation, which account for 2% and 12% of the total heat transfer, respectively. In another experiment, with the constant heat output of the burner, the burner equivalence ratio was investigated and the highest thermal efficiency, corresponding to φ = 0.998 and equal to 23.9%, was obtained.

    Keywords: Natural gas, porous burner, Thermal efficiency, convective heat transfer, Radiation
  • AliReza Mostofizadeh, Ghasem Moshir, Mehrdad Bazazzadeh Pages 100-122

    Increasing the flame propagation speed with aid of centrifugal force proposed by Lewis is a new challenge that can reduce the length of the combustion chamber and thus increase the thrust to weight ratio. In this study, large eddy simulation of premixed combustion of air-propane mixture in a two-dimensional tube with closed ends have been implemented in OpenFoam Software to investigate the effect of centrifugal force on the flame propagation speed. Comparison of numerical solution results with experimental data showed about 8% error in the most critical centrifugal acceleration (3000g). To investigate the effect of the turbulence model, the combustion simulation using the k turbulence model for 3000g, was compared with the LES model and it was observed that the LES model, investigate propagation speed and flame wrinkling with higher accuracy. Considering the flame surface wrinkling parameter, it was observed that at a centrifugal acceleration equal to 4000g, the flame surface wrinkling, suddenly increased and then decreased rapidly that indicates the extinction of the flame. Then, the effect of pipe length on flame propagation speed and flame wrinkling at 2000g was investigated and it was observed that increasing pipe length and distance from the origin of rotation, the induced centrifugal force increased and as a result, propagation speed and wrinkling Increases.

    Keywords: Thrust, Combustion, premixed, OpenFOAM, wrinkling
  • Hassan Atayizadeh Pages 124-145

    The objective of this paper is two-fold: a comprehensive literature review of the combustion model based on the laminar flamelet assumption; and implementation, application and sensitivity analysis of one of these flamelet models for simulation of turbulent premixed flames. Large-eddy simulation is one of the most reliable approaches in turbulence modelling. Since the computational cost of this approach is substantially more significant than the Reynolds-averaged Navier-Stokes models, the most economical and thus widely-used combustion models in the context of large-eddy simulation are models based on the flamelet assumption. Nevertheless, flamelet models have known shortcomings presented and discussed in detail in this work. The Flamelet-Generated Manifold (FGM) model is one of these models utilized in this work for a large-eddy simulation of a turbulent flame stabilized behind a bluff body. The results show that the accuracy of this model depends on the sub-grid scale variance sub-model its parameters. An algebraic model was used to approximate the variance, but the results were not accurate enough; so that the flame height was under-estimated by approximately 30%, and the error in the mean axial velocity was more than 60% at some points in the domain. However, solving a transport equation for this quantity improves the accuracy of the predictions.

    Keywords: Turbulent Combustion, combustion modelling, flamelet model, large-eddy simulation