منتشرشده در

انتقال حرارت و احتراق در فلوئنت

انتقال حرارت

علم انتقال گرما یا انتقال حرارت به تحلیل آهنگ انتقال گرما در سیستم می‌پردازد. انتقال انرژی از طریق شارش گرما را نمی‌توان مستقیما اندازه‌گیری کرد ولی این انتقال چون به یک کمیت قابل اندازه‌گیری به نام دما ارتباط دارد، دارای مفهوم فیزیکی است. در نرم افزار انسیس فلوئنت می‌توانیم با فعال کردن معادله‌ی انرژی و حل آن، اثرات انتقال حرارت را وارد محاسبات کنیم.

  • گرما

گرما نوعی انرژی است که به علت اختلاف دما بین دو سیستم، از یکی به دیگری منتقل می‌شود. (گرما همواره در حال عبور از مرزهای سیستم است.)

  • دما

کمیتی است بیانگر مقدار گرمای یک جسم. دما معیاری است برای تعیین میزان گرمی یا سردی یک جسم.

روش‌های انتقال گرما

  1. رسانش
  2. همرَفت
  3. تابشمعادلات انتقال حرارت و مقاومت گرمایی معادل

احتراق یا سوختن

احتراق یا سوختن (به لاتین: Combustion یا burning) نتیجه‌ی یک فرآیند شیمیایی گرمازا میان یک ماده‌ی سوختنی و عامل اکسیدکننده‌ است که با تولید گرما و تغییر شیمیایی مواد اولیه همراه می‌شود. آزاد کردن گرما می‌تواند با تولید نور به صورت شعله یا درخشش باشد.

به طور کلی شبیه سازی پدیده احتراق یکی از پیچیده ترین مسائل موجود در تحلیل عددی می باشد. تاکنون مدل های عددی مختلفی برای شبیه سازی انواع احتراق (غیر آمیخته و پیش آمیخته) مایع و یا گاز ارائه شده است. نرم افزار فلوئنت با دارابودن مدل‌های احتراقی گسترده و متنوع، به یک ابزار مهم و محبوب جهت تحلیل انواع مسائل احتراقی تبدیل شده است.

شبیه سازی احتراق در فلوئنت
شبیه سازی احتراق در فلوئنت

برای آشنایی بیشتر با انواع مکانیزم‌های انتقال حرارت و کاربردهای آن در نرم افزار فلوئنت، دوره‌‌ها‎ی آموزشیاز مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنتوشبیه سازی انتقال حرارت و  احتراق در نرم افزار فلوئنتدر بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.


جهت تعامل بیشتر شما همراهان عزیز با قابلیت‌های نرم افزار انسیس فلوئنت در مدلسازی انتقال حرارت و احتراق، یک مقاله‌ی علمی مرتبط با احتراق هیدروژن در فلوئنت را مرور می‌کنیم.

تحقق وعده‌­هایی که با احتراق هیدروژن ممکن میشود

با استفاده از هیدروژن میتوان کربن را در بسیاری از بخش‌های اقتصادی از بین ببرد. هیدروژن میتواند به طور مستقیم در پیل­‌های سوختی برای انرژی­‌های عاری از کربن و یا توربین­‌های گازی که تراکم انرژی بالای آنها، بالاتر بودن دمای خود اشتعالی و توانایی سوختن ضعیف آنها مطلوب ما هستند، استفاده شود. سوختن ضعیف به این معناست که در محفظه احتراق مقدار هوای موجود بیشتر از مقدار سوخت میباشد. توافق نامه آب و هوای پاریس و تعهد جامعه هواپیمایی به این نکته اشاره میکند که تا سال ۲۰۵۰ میزان انتشار آلاینده­ها باید به طور قابل توجهی کاهش یابد که همین امر باعث تحقیق و توسعه بیشتر احتراق هیدروژن خواهد شد.

سوزاندن هیدروژن در موتورها با وجود پتانسیل بالای آن به عنوان یک سوخت “طلایی” یا حامل انرژی، چالش­‌های مختلفی از جمله پدیده فلش بک (Flashback)، بی ثباتی آکوستیکی یا صوتی، احتراق خودکار و پایدار سازی شعله در داخل مشعل را ایجاد میکند. مهندسان میتوانند با شبیه سازی این چالش­ها را برطرف کنند.

شبیه سازی باعث صرفه جویی در وقت و هزینه می شود

آزمایش‌­های تجربی اطلاعات ارزشمندی را برای کمک به مقابله با چالش­‌های مطرح شده فراهم میکند، اما این آزمایش­‌ها گران و زمان بر هستند و استفاده صد درصدی از هیدروژن میتواند به معنای فدا شدن اجزای حیاتی و ابزار آزمایشگاهی ما باشد. شبیه سازی­‌های عددی میتواند خصوصیات عمیق‌­تری از پدیده های پیچیده­ای که داخل محفظه­‌های احتراق توربین گاز اتفاق می‌افتد را فراهم کند. به عنوان مثال: ویدئوی زیر میدان گرمایی داخل محفظه احتراق یک موتور هوایی است که با استفاده از تحلیل دینامیک سیال محاسباتی (CFD) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت پیش بینی شده است.

محفظه احتراق موتور هوایی

پیش بینی دقیق چنین پدیده­‌های پیچیده‌­ای و همچنین میزان انتشار آلاینده ها در موتورهای توربین گازی، نیازمند مدل­‌هایی با دقت بالا و مقیاس‌­های معتبر برای تعیین کردن مدل­های توربولانسی، مدل‌­های احتراقی و طرح های عددی (به عنوان مثال روش QUICK، Upwind و…) می‌باشد. در مثال بالا، از مدل آشفتگی  (SBES)stress-blended eddy simulation و قابلیت مش موزاییکی انسیس برای حل ساختارهای جریان گذرا استفاده شده است. از مدل فاز گسسته در قالب اویلری-لاگرانژی برای مدلسازی اسپری سوخت و همچنین جدایش ثانویه استفاده شده است.

احتراق با استفاده از Flamelet Generated Manifold (FGM) مدل شد، که شیمی حرارتی را توسط کسر مخلوط و پیشرفت واکنش نشان میدهد. این استراتژی مدل سازی (SBES-FGM) برای پیش بینی دقیق رفتار شعله و انتشار گازها برای موتورهای جت و همچنین محفظه­‌های احتراق­ توربین­‌های گازی زمینی نیز تأیید شده است.

شبیه سازی احتراق هیدروژن

تکنیک­‌های مدل سازی­ که در بالا ذکر شد برای سوخت‌­های مخلوط هیدروژن یا هیدروژن خالص نیز کارایی دارند. حتی این مدل­‌ها را میتوان با توجه به نیاز خود اصلاح کرد و مواردی را به آنها اضافه و یا از آنها کم کرد. چنین اصلاح­‌هایی میتواند شامل تعاریفی مثل متغیرهای پیشرفت واکنش و در برخی موارد برای دیفرانسیل پخش (ضریب پخش جرم و حرارت متفاوت برای گونه های مختلف) است. کاربرد موفقیت آمیز چنین مدلسازی برای احتراق هیدروژن، در شکل زیر برای مدل کابرا (Cabra) ارائه شده است که که نحوه پایداری و ماندگاری شعله در محفظه احتراق توربین­‌های گازی را بررسی میکند. سوخت و اکسید کننده درون محفظه احتراق به صورت پیش مخلوط (Premix) هستند.

 

مدل Cabra (سمت چپ). شبکه موزاییکی با استفاده از انسیس در منطقه مورد نظر (راست)

 

جت سوخت هیدروژن توسط محصولات حاصل از احتراق ۲۲۰۰ شعله هیدروژن / هوا احاطه شده است (شکل بالا سمت چپ). شبیه سازی با استفاده از مدل توربولانسی (LES) و حلگر فشار مبنا در فلوئنت انجام شده است و مقیاس­‌های زیر شبکه­‌ای با فرمول dynamic Smagorinky Lilly مدلسازی شدند. احتراق با استفاده از مدل FGM و متغیر پیشرفت (Progress Variable)، واریانس کسر مخلوط (Z) و ترم‌های چشمه‌ی متغیر پیشرفت به صورت نرخ محدود مدلسازی میشوند. ویدئوی زیر ساختار شعله هیدروژن را از نظر توزیع دما و توزیع کسر مخلوط در یک بازه زمانی مشخص نشان میدهد.

میدان حرارتی شعله هیدروژن که با استفاده از روش (LES) کسر مخلوط شعله هیدروژن که با استفاده از روش (LES)

ویدئوی بالا نشان میدهد که شبکه بندی با استفاده از قابلیت مش موزاییکی توانسته است وضوح مناسبی را برای مشاهده شکل­گیری آشفتگی در لایه برشی (Shear layer) که در شکل قبل‌تر نشان داده شده است، فراهم کند. نمودار شعاعی متغیرهای مختلف و کانتور میدان حرارتی، که در شکل‌های زیر نشان داده شده است، نتایج حاصل از حل عددی توسط فلوئنت را با اندازه گیری­‌های تجربی مقایسه میکند.

ویدئوی بالا نشان میدهد که شبکه بندی با استفاده از قابلیت مش موزاییکی توانسته است وضوح مناسبی را برای مشاهده شکل­‌گیری آشفتگی در لایه برشی (Shear layer) فراهم کند. نمودار شعاعی متغیرهای مختلف و کانتور میدان حرارتی، که در شکل‌های زیر نشان داده شده است، نتایج حاصل از حل عددی توسط فلوئنت را با اندازه گیری­‌های تجربی مقایسه میکند.

 

پروفیل های شعاعی میانگین جرمی وزنی کسر مخلوط (Mass weighted average)، گونه ها و دما برای موقعیت های مختلف محوری. (خطوط نشان دهنده نتایج شبیه سازی عددی است؛ نقاط نشان دهنده نتایج تجربی هستند.)

 

توزیع دما میانگین برای شعله هیدروژن مدل Cabra و مقایسه آن با داده های تجربی

واضح است که شبیه سازی LES-FGM توزیع کسر مخلوط، دما و گونه‌­ها را با دقت بسیار عالی و نتایجی نزدیک به داده­‌های تجربی پیش­بینی کرده است. شبیه­سازی­‌ها ضخامت جبهه شعله را نیز با دقت محاسبه کرده است. پیش­ بینی شعله در لبه پیشروی یا جبهه‌ی شعله برای پیش ­بینی کامل شعله بسیار هائز اهمیت است؛ زیرا بر اختلاط سوخت و هوای پایین دست تأثیر میگذارد. استفاده از روش شعله نفوذی درک بهتری از ماندگاری شعله (Flame anchoring) در اختیار ما قرار میدهد. همچنین با استفاده از این مدل جواب­ه‌ای حاصل شده از فلوئنت به نتایج حاصل شده از آزمایش‌­های تجربی نزدیک­تر خواهد شد.

شبیه سازی از هیدروژن برای کربن زدایی پشتیبانی میکند

انتظار میرود موتورهای توربین گازی که از هیدروژن به عنوان سوخت خود استفاده میکنند، باعث شود که کربن در بخش­‌های انرژی و هواپیمایی از بین برود. پیچیده­‌ترین چالش­های فنی در استفاده از هیدروژن در توربین­‌های گازی را میتوان با شبیه سازی و با دقت بسیار بالا رفع کرد. ثابت شده است که روش­‌هایی که برای شبیه سازی احتراق در موتورهای سنتی متعارف هستند، قادرند تا پیچیدگی­‌های ذاتی احتراق هیدروژن را نیز با دقت پیش بینی کنند. استفاده از این روش‌­های شبیه سازی برای احتراق هیدروژن، میتواند به بخش­های انرژی و هواپیمایی کمک کند تا محصولات پایدارتر و کم کربن‌­تری را با صرفه جویی در هزینه­ و زمان به بازار عرضه کنند.

 

برای آموزش مفاهیم احتراق و شبیه سازی آن در نرم افزار فلوئنت، دوره‌‎‌های آموزشی ” از مبتدی تا حرفه‌ای در انسیس فلوئنت”  و ” شبیه سازی انتقال حرارت و احتراق ” در بخش فروشگاه آموزشی را پیشنهاد می‌کنیم.

برای آموزش و یادگیری فرآیند تولید شبکه‌ی مناسب در انسیس برای هندسه‌های پیچیده و محفظه‌های احتراق، دوره‌ی آموزشی “هر آنچه در مورد شبکه بندی باید بدانید” پیشنهاد ما به شماست.

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *