فهرست مطالب

نشریه سوخت و احتراق
سال پانزدهم شماره 2 (پیاپی 39، تابستان 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/05/06
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سید مسعود هاشمی*، حامد امیری صفحات 1-24

    در این مقاله شبیه سازی عددی اشتعال مخلوط سوخت و هوا در یکی از سیلندر های موتور خورجینی، به روش دینامیک سیالات محاسباتی و مخلوط پیش آمیخته انجام گرفته است. مخلوط پیش آمیخته شامل ایزواکتان و هوا با نسبت هم ارزی 0.9 است. شبیه سازی موجود با استفاده از روش حجم محدود و احتراق مخلوط پیش آمیخته صورت گرفته و همچنین از شبکه دینامیکی در حرکت پیستون استفاده شده است. در این راستا روند تغییرات دما و فشار نسبت به زاویه چرخش میل لنگ بررسی شده است. به منظور صحه گذاری، از نتایج یک موتور تحقیقاتی استفاده شده و نتایج حاصل از شبیه سازی عددی به روش مخلوط پیش آمیخته با نتایج تجربی موجود مقایسه شده است. نتایج شبیه سازی روش عددی حجم محدود و مخلوط پیش آمیخته در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی نشان داد که بیشترین خطای تغییرات فشار بیشینه، به میزان 2/2 درصد است. بنابراین می توان در طراحی موتور های اشتعال جرقه ای از روش عددی ارایه شده استفاده نمود. پس از شبیه سازی، به منظور بهینه شدن احتراق و گسترش بهتر جبهه شعله در محفظه احتراق نوع پنت روف، مکان قرار گیری شمع موتور با شبیه سازیهای متعدد در مکان های جرقه مختلف بهبود پیدا کرده است. و با توجه به نتایج فشار و دما و کانتور های جبهه شعله و مقایسه آن ها در تحلیل های مختلف به محدوده بهینه ای دست یافته شد.

    کلیدواژگان: احتراق، موتور خورجینی، اشتعال جرقهای، شبیه سازی عددی
  • فرشید جعفری، رضا خوش بین*، رامین کریم زاده صفحات 25-36

    افزایش تایرهای فرسوده و مستعمل، به یک معضل جدی در آلودگی محیط زیست تبدیل شده است. با افزایش وسایل نقلیه و رشد متوسط پیمایش هر خودرو، این آلودگی هر روز بیشتر می شود. انرژی گرمایی نهان در لاستیک ها، باعث شده است تا عملیات بازیافت آن ها برای از بین بردن مشکلات به وجود آمده در محیط زیست به یک رویکرد اقتصادی تبدیل شود و علاوه بر از بین بردن آثار مخرب ایجاد شده در محیط زیست، باعث کارآفرینی و سودآوری و تولید محصولات با ارزش شود. در این پژوهش، هدف برسی فرآیند پیرولیز دومرحله ای گرمایی-کاتالیستی لاستیک های فرسوده بر روی کاتالیست های زیولیتی ZSM-5، Y وβ به منظور تولید سوخت مایع با کیفیت است. خصوصیات کاتالیست ها با استفاده از تکنیک های طیف سنجی پراش پرتو ایکس (XRD)، آنالیز میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و آنالیز جذب-دفع نیتروژن مورد ارزیابی قرار گرفتند. عملکرد کاتالیست ها در آزمایش شکست کاتالیستی محصول مایع حاصل از پیرولیز گرمایی تایر، در مجاورت گاز نیتروژن مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد که زیولیت Y با بازده استحصال مایع 78/98 درصد وزنی عملکرد بهتری در فرآیند فوق نسبت به دو کاتالیست دیگر داشته است.

    کلیدواژگان: تایرهای فرسوده، پیرولیز دومرحله ای، زئولیت، شکست کاتالیستی
  • مجتبی ابراهیمی، بهرام جعفری * صفحات 37-56

    این تحقیق عددی به بررسی همزمان اثرهای زمان بندی دو مرحله ای پاشش سوخت دیزل (مرحله اول در 25، 40 و 55 درجه گردش میل لنگ قبل از نقطه مرگ بالا و مرحله دوم در10درجه گردش میل لنگ قبل از نقطه مرگ بالا)، شکل کاسه پیستون (مقعری و کم عمق عریض) در یک موتور دیزل سنگین غیرجاده ای در شرایط احتراق اشتعال تراکمی واکنش کنترل شونده و در سه حالت احتراق دیزل خالص،دیزل-گازسنتز20 درصد و دیزل-گازسنتز40 درصد می پردازد. برای انجام شبیه سازی ها از نرم افزار دینامیک سیالات محاسباتی کانورج و برای شبیه سازی های احتراق از الگوی احتراق-  SAGE به همراه یک ساز و کار سینتیک شیمیایی که شامل 72 گونه و 360 واکنش بوده استفاده شد. نتایج نشان داد با افزایش سهم گاز سنتز، سرعت احتراق در مقایسه با حالت کارکرد دیزل پایه افزایش یافته و سبب رخ دادن شروع احتراق در نقاط نزدیک تر به نقطه مرگ بالا شده است. استفاده از کاسه پیستون کم عمق عریض درحالت احتراق دیزل- گازسنتز 4 درصد و زمان بندی 55 درجه میل لنگ قبل از نقطه مرگ بالا سبب کاهش چشمگیر نرخ حداکثر فشار در داخل سیلندر نسبت به سایر حالت های احتراق شده است. همچنین در این حالت احتراق (دیزل-گازسنتز 40 درصد) میزان انتشار اکسیدهای نیتروژن، ذرات دوده و هیدروکربن های نسوخته به ترتیب برابر با 17/18، 0/015، 0/1 گرم بر کیلوگرم سوخت است که این مقادیر در مقایسه با حالت کارکرد دیزل پایه 63/5 درصد ، 96/5 درصد و 80/2 درصد کاهش یافته است. با این حال استفاده از گازسنتز سبب افزایش انتشار منوکسیدکربن شد.

    کلیدواژگان: احتراق اشتعال تراکمی واکنش کنترل شونده، کاسه پیستون، پیش پاشش، پاشش دومرحله ای، گازسنتز
  • امیررضا محمدپور، کیومرث مظاهری*، علیرضا علی پور، سجاد رحیمی صفحات 57-74

    در این مقاله مشعل طبقه ای کمبریج-سندیا به منظور بررسی اثرات نفوذ مولکولی در احتراق طبقه ای و پیش آمیخته، با افزودن دو مقدار مختلف هیدروژن به سوخت شبیه سازی شده است. برای این منظور دو مدل متفاوت در نظر گرفته شده که در مدل اول از فرض عدد اشمیت برابر یک برای تمام گونه ها و در مدل دوم از اعداد اشمیت متفاوت برای هر گونه ی شیمیایی استفاده شده است. نتایج حاصل نشان می دهند که با افزودن هیدروژن در حالت طبقه ای، نفوذ ترجیحی گونه های سبک تر بر کسرجرمی هیدروژن به ویژه در نزدیکی سطح جسم پهن تاثیر می گذارد و باعث افزایش 4 برابری مقدار محاسبه شده برای کسر جرمی این گونه می شود. بنابراین نمی توان اثرات نفوذ مولکولی را در معادلات حاکم نادیده گرفت. در حالت پیش آمیخته هرچند نفوذ مولکولی تاثیر کمی بر غلظت گونه ها دارد ولی همچنان بر توزیع دما موثر است. به طوری که با افزودن 40 درصد هیدروژن، دمای بیشینه افزایش 2 و 5 درصدی و میانگین دما افزایش 12 و 15 درصدی را به ترتیب در حالت های پیش آمیخته و طبقه ای نشان می دهند. به طور کلی، افزایش مقدار هیدروژن، ساختار شعله را به طور قابل توجه تری تغییر می دهد، به ویژه در مورد ناحیه بازچرخشی در بالای جسم پهن، که با افزودن هیدروژن کوتاه تر می شود.

    کلیدواژگان: نفوذ مولکولی، عدد اشمیت، مشعل چرخشی طبقه ای، احتراق آشفته، غنی سازی با هیدروژن
  • کامیاب کرباسی شرق، محمدمهدی صالحی*، امیر مردانی صفحات 75-89

    در این پژوهش با استفاده از یک روش تجربی غیرتداخلی، نورتابی شیمیایی گونه متیلیدین برانگیخته CH* در شعله نفوذی در رژیم جریان آرام اندازه گیری شده است. در این روش از یک دوربین معمولی و فیلترهای نوری میان گذر استفاده شده است. نورتابی شیمیایی این گونه در محدوده 430 نانومتر ساطع می شود، اما در صورت وجود دوده در شعله، تشعشع حرارتی دوده در محدوده نور مریی در بازه نورتابی شیمیایی گونه متیلیدین برانگیخته نیز تابش قابل ملاحظه ای دارد. در این پژوهش با استفاده از دو فیلتر نوری دیگر با طول موج های مرکزی 420 و 440 نانومتر، تخمینی از تشعشع حرارتی دوده در محدوده 430 نانومتر بدست می آید. با استفاده از این تخمین اثر تعشع دوده بر نورتابی شیمیایی گونه متیلیدین برانگیخته حذف می شود. مقایسه نتایج این پژوهش با شبیه سازی عددی نشان می دهد که در شرایطی که مقدار کمی دوده تشکیل شده است، این روش با دقت خوبی می تواند اثرات تشعشع دوده را حذف کند. اما با افزایش غلظت دوده و در نتیجه افزایش شدت تشعشع آن، خطای روش افزایش می یابد.

    کلیدواژگان: نورتابی شیمیایی متیلیدین برانگیخته، شعله نفوذی، دوده
  • قاسم حیدری نژاد*، فرهاد جمس، محمد صفرزاده صفحات 90-107
    ی
    یکی از چالش ها و پیچیدگی های شبیه سازی مسایل مرتبط با آتش استخری با سوخت مایع، تعیین نرخ تبخیر سوخت است. در این پژوهش تلاش شده تا با استفاده از الگوریتم متشکل از روابط ساده تحلیلی و نیمه تجربی، نرخ تبخیر سوخت متانول در مسیله آتش استخری کم عمق تحت اثر شار تابشی و دمای محیط گذرا محاسبه شود. در این الگوریتم، هر دو پدیده انتقال حرارت و انتقال جرم لحاظ شد و رفتار هر پدیده مطالعه شد. در مقایسه نتایج شبیه سازی ها با نتایج عددی پژوهش های دیگر، دقت قابل قبولی (کمتر از 3 درصد خطای نسبی) مشاهده شد. همچنین، در مقایسه نتایج شبیه سازی با نتایج تجربی، مشخص شد نتایج پایای شبیه سازی به نسبت نتایج تجربی، 1 درصد خطای نسبی دارد. با بررسی نتایج، مشاهده شد که نرخ تبخیر در حالتی که شار تابشی گذراست، به نسبت حالتی که شار تابشی پایا است 50 ثانیه تاخیر زمانی دارد. همچنین، عدد ناسلت و عدد گراشوف مستقل از شار تابشی و وابسته به دمای محیط اطراف می باشند.
    کلیدواژگان: نرخ تبخیر، استخر سوخت کم عمق، انتقال جرم، آتش استخری، شبیه سازی عددی
  • علی اکبر جمالی*، ابوالفضل یزدانی صفحات 108-135
    تنوع پدیده های فیزیکی چندگانه در محفظه احتراق نظیر سینتیک شیمیایی، انتقال حرارت (همرفت و تابش)، تعدد فاز‏، تجزیه حرارتی در غیاب اکسیژن (پیرولیز) مربوط به سوخت جامد با تجمع و انباشتگی ذرات و فیلم مایع از چالش های احتراق در سامانه های احتراقی هواتنفسی (رم جت)می باشند. درک فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی درگیر در احتراق برای پیش بینی فرایندهای فیزیکی حاکم بر جریان سیال، شروع احتراق، نرخ آزاد شدن حرارت، تشکیل شعله، نرخ پسروی سوخت و غلظت گونه های تولیدشده در طول احتراق موردنیاز است. به موجب الزام در حل هم زمان مدل های احتراقی و آشفتگی اعمال روش های عددی در تحلیل معادلات حاکم، زمینه ساز حصول برخی نتایج شامل پیش بینی تاثیر متغیرها، خصوصیات عملکردی و ویژگی های احتراقی و در نهایت دسترسی به بازده احتراق پیشرانه غنی از سوخت در سامانه های رم جتی است. در بررسی واکنش های شیمیایی محفظه احتراق، پیرولیز پلی بوتادین خاتمه یافته با هیدروکسیل (HTPB) مدنظر بوده و نهایتا احتراق برای محصول پیرولیز بر پایه مدل و مکانیسم سینتیک های شیمیایی کاهش یافته ادامه می یابد. سپس به منظور تشخیص مدل های برتر در پیش بینی مناسب مشخصه های احتراق با به کارگیری هر دو مدل احتراقی نظیر اضمحلال گردابه ای و شیمی نرخ محدود، همراه با بررسی عددی مدل های آشفتگی شاملK-ɛ استاندارد و sst K-ω برای محفظه احتراق، یک مقایسه تطبیقی میان نتایج شبیه سازی با داده های محیط محاسباتی تعادل شیمیایی ناسا (CEA) انجام شد. نتایج نشان دادند که مدل نرخ محدود به دلیل نادیده گرفتن اثرات آشفتگی جریان و میزان اختلاط سوخت و هوا در محفظه احتراق، مشخصات احتراقی رمجت سوخت جامد را با خطای زیادی نسبت به مدل اتلاف گردابه ای پیش بینی می کند. با توجه به نتایج ترمودینامیکی و احتراقی، وضعیتK-ω /Eddy dissipation مطابقت خوبی با نتایج CEA داشت.
    کلیدواژگان: رمجت سوخت جامد، محفظه احتراق، تجزیه گرمایی، مدل اضمحلال گردابه ای، مدل شیمی نرخ محدود
|
  • Seyed Masuod Hashemi*, Hamed Amiri Pages 1-24

    In this paper, numerical simulation of ignition of fuel-air mixture in a cylinder of a v-type engine has been done by the method of computational fluid dynamics and premixed mixture. The premixed mixture consists of iso-octane and air with an equivalence ratio of 0.9. The existing simulation is performed using the finite volume method and combustion of the premixed mixture. Besides, the dynamic mesh in the piston motion is also used. In this regard, the trend of temperature and pressure changes with respect to the crank angle has been investigated. In order to validate, the results obtained by mixed mixture method were compared to that of a research engine. The simulation results show maximum error of only 2.2% when compared to the experimental results. Therefore, the proposed numerical method can be used in the design of spark ignition engines. In order to optimize the combustion and better spreading the flame front in the pent-roof type combustion chamber, the location of the spark plug has been investigated with several simulations at different spark locations. According to the data of pressure and temperature and either flame front contours and their comparison in different analyzes, the optimal range was achieved.

    Keywords: Combustion, V-type engine, Spark ignition, Numerical simulation
  • Farshid Jafari, Reza Khoshbin *, Ramin Karimzadeh Pages 25-36

    The increase in waste and used tires has become a serious problem in environmental pollution. As vehicles increase and the average mileage of each vehicle increases, this pollution increases every day. Having a significant amount of thermal energy in tires has made their recycling very attractive to solve environmental problems, so that the recycling of waste tires not only has no harmful effects on the environment, but also the source of industrial development and economic profitability and processing and production of other products. In this research, the aim of this study is to investigate the two-stage heat-catalytic pyrolysis process of waste tires on ZSM-5, Y and β zeolite catalysts in order to produce quality of liquid fuel. The properties of the catalysts were evaluated using X-ray diffraction (XRD) spectroscopy, scanning electron microscopy (SEM) and nitrogen adsorption-desorption analysis. The performance of commercial catalysts in the catalytic cracking of liquid product resulting from thermal pyrolysis of waste tires in the presence of nitrogen gas was investigated. The results showed that zeolite Y with liquid yield of 78.91% by weight had better performance in the above process than the other two catalysts.
    .

    Keywords: Waste tires, Two-stage pyrolysis, Zeolite, Catalytic cracking
  • Mojtaba ebrahimi, Bahram Jafari* Pages 37-56

    This numerical study the simultaneous impacts of diesel direct injection timing (pilot injection at 25-40-55 Crank Angle (CA) Before Top Dead Center (BTDC) and main injection at 10 BTDC), combustion chamber geometry (re-entrant (baseline), and wide-shallow chamber), and applying syngas, 20% and 40% of total energy per cycle, in a heavy-duty off-road RCCI engine. This numerical research is conducted using CONVERGE computational fluid dynamic code. The SAGE combustion model was used coupled with a detailed chemical kinetic mechanism consist of 72 species and 360 reactions. The results showed that increasing the syngas to diesel ratio up to 40% caused the combustion speed increased compared to the baseline pure diesel combustion and the start of combustion occurred near the top dead center. Also use of the wide-shallow combustion chamber along with diesel injection at 55 CA BTDC at diesel- 40% syngas combustion operating condition significantly reduced the maximum pressure rise rate compared to other combustion conditions. Additionally, at this combustion condition emissions of Nitrogen Oxides (NOx), soot and Hydro-Carbons are 17.18, 0.015, 0.1 g/kg of fuel which are decreased by 63.5%, 96.5% and 80.2%, respectively, compared to the baseline pure diesel combustion. However, the use of syngas increased the emission of carbon monoxide.
     </strong>
    .

    Keywords: RCCI combustion, piston bowl, pilot injection, Diesel injection timing, Syngas
  • Amirreza Mohammadpour, Kiumars Mazaheri*, Alireza Alipoor, Sajjad Rahimi Pages 57-74

    In this article, Cambridge-</strong>Sandia stratified burner has been simulated by adding two different amounts of hydrogen to the fuel in order to investigate the effects of molecular diffusion in stratified and premixed combustion. For this purpose, two different models have been considered. In the first model, the Schmidt number is assumed to unity for all species, and in the second model, different Schmidt numbers have been used for each chemical species. The results show that by adding hydrogen in the stratified case, preferential diffusion of lighter species, affects the mass fraction of hydrogen, especially near the surface of the bluff body, and causes a 4-fold increase in the calculated value for its mass fraction. Therefore, molecular diffusion effects cannot be ignored in the governing equations. In the premixed case, although the molecular diffusion has little effect on the species concentration, it still is effective on the temperature distribution. By adding 40% of hydrogen, the maximum temperature increases by 2% and 5% and the average temperature increases by 12% and 15% in premixed and stratified cases, respectively. In general, increasing the amount of hydrogen changes the flame structure more significantly, especially regarding the recirculation zone above the bluff body, which becomes shorter with hydrogen addition.
    .

    Keywords: Molecular diffusion, Schmidt number, Stratified swirl burner, Turbulent combustion, Hydrogen enrichment
  • Kamyab Karbasishargh, Mohammad Mahdi Salehi*, Amir Mardani Pages 75-89

    In this work, a non-intrusive method is developed to measure the CH* chemiluminescence in a laminar non-premixed flame. In this method, a digital camera and optical band-pass filters are used. CH* chemiluminescence happens in a sharp band around 430 nm, but in the case of a soot formation in the flame, the resulting thermal radiation partly happens in the CH* chemiluminescence band. In this work, two other band-pass filters with central frequencies of 420 and 440 nm are used to estimate the thermal radiation of soot particles near 430 nm. Using this approximation, the effect of the thermal radiation of soot particles on CH* chemiluminescence is removed. Comparing the experimental results in this work with the numerical simulations show that the proposed method can effectively remove the soot thermal radiation when the soot concentration is low. However, as the soot concentration increases, resulting in enhanced thermal radiation, the accuracy of the method decreases.

    Keywords: CH* chemiluminescence, diffusion flame, soot
  • Ghassem Heidarinejad *, Farhad Jems, Mohammad Safarzadeh Pages 90-107
    Computing the evaporation rate of fuel is one of the challenges and complexities of pool fire simulations. In this study, the evaporation rate of methanol in a shallow pool fire problem is computed using an algorithm that includes analytical and empirical relations. Modeled radiative heat flux and surrounding air temperature are considered transient. Heat and mass transfer phenomena are included in this algorithm, and their effects are discussed. The relative error of results to other numerical studies was below 3 percent. Also, by comparing steady results to experimental results, the relative error was 1 percent. Results show that the evaporation rate in transient radiative heat flux case is delayed 50 seconds to constant radiative flux. In addition, Nusselt number and Grashof number are independent of radiative flux, and depend on surrounding air temperature.
    Keywords: Evaporation Rate, thin pool fire, Mass Transfer, numerical simulation
  • Ali Akbar Jamali *, Abolfazl Yazdani Pages 108-135
    The variety of multiple physical phenomena in the combustion chamber like chemical kinetics, heat transfer (convection and radiation), multiple phases, and thermal decomposition in the absence of oxygen (pyrolysis) related to solid fuel with the accumulation of particles and the liquid film are combustion challenges in the air-breathing combustion systems (ramjet). Understanding the physical and chemical processes involved in combustion is required to predict the physical procedures governing fluid flow, combustion initiation, regression rate, heat release rate, flame, and concentration of species generated during combustion. According to simultaneously solving the combustion and turbulence models, applying the numerical methods in analyzing the governing equations leads to some results, including the effect of variables, performance characteristics, combustion properties, and finally, access to fuel-rich propulsion combustion efficiency in solid fuel ramjet systems. The chemical reactions in the combustor, pyrolysis of Hydroxyl-terminated polybutadiene (HTPB), and the combustion of the pyrolysis products are investigated based on the reduced kinetic mechanisms. Then, by eddy dissipation and finite-rate chemistry models accompanied by K-ε standard and K-ω-SST models in the modeling of solid fuel ramjet combustor, the simulation results are compared with CEA data to identify the best models for accurate combustion prediction. The results showed that the finite-rate model predicts the combustion characteristics of the solid fuel ramjet with much error compared to the eddy dissipation model due to ignoring the effects of flow turbulence and the amount of fuel and air mixing in the combustion chamber. According to the thermodynamic and combustion results, the K-ω/eddy dissipation case was in good agreement with CEA results.
    .
    Keywords: Solid fuel ramjet, combustor, Thermal decomposition, Eddy dissipation model, Finite rate model