شبیه‏سازی عددی جریان مغشوش احتراقی درون مشعل متخلخل استوانه‏ای

مشعل متخلخل به دلیل مزایای انتقال حرارت تشعشعی و کنترل‏پذیری احتراق کاربردهای متنوعی در صنعت یافته‏است. در اکثر مدل‏سازی‏های عددی پیشین رژیم جریان درون محیط متخلخل آرام فرض شده و با این فرض احتراق درون محیط متخلخل بررسی شده‏است. در حالیکه مشاهدات تجربی نشان می‏دهد که تغییر رژیم از آرام به مغشوش درون محیط متخلخل برای اعداد رینولدز پایین مشاهده می‏گردد. در تحقیق حاضر به مطالعه اثرات اغتشاش در جریان احتراقی درون مشعل متخلخل پرداخته و اثرات آن بر روی توزیع دما، سرعت سوزش و انتشار آلاینده‏ها درون مشعل متخلخل استوانه‏ای بررسی شده‏است. از سینتیک کامل gri 3. برای احتراق متان/هوا استفاده می‏شود. با توجه به وجود واکنش شیمیایی در مخلوط گازی و تشعشع در فاز جامد، برای هر یک از فازها معادله انرژی جداگانه‏ای نوشته شده و ارتباط بین دو معادله انرژی با استفاده از روابط تجربی برای ضریب انتقال حرارت حجمی برقرار می‏شود. انتقال حرارت تشعشعی در معادله انرژی فاز جامد با استفاده از تقریب جهت‏های مجزا تعیین گردیده‏است. اثرات اغتشاش نیز در مدل‏سازی با استفاده از معادلات که برای محیط متخلخل اصلاح شده‏است اعمال می‏گردد. از روش حجم محدود برای حل معادلات جریان و شار تشعشعی و از حل گذرای مبتنی بر تفکیک عملگرها برای حل معادلات سخت انرژی گاز و بقای گونه‏ها استفاده شده‏است. از آنجا که چندین مدل برای جریان مغشوش درون محیط متخلخل در تحقیقات پیشین ارائه گردیده‏است، مقایسه‏ای بین دو مدل پرکاربردتر صورت گرفته و مشخص گردید مدلی که مبتنی بر نفوذپذیری سیال درون محیط متخلخل است نسبت به مدلی که تنها به نسبت تخلخل وابسته است دقت بیشتری دارد. افزایش سرعت در ناحیه شعله به دلیل انبساط حرارتی در فرایند احتراق سبب می‏شود تا مقادیر انرژی جنبشی اغتشاشی و لزجت اغتشاشی ماکروسکوپیک در ناحیه شعله با جهش ناگهانی روبرو گردند. افزایش ضرایب نفوذ به واسطه اثرات اغتشاش علاوه بر افزایش ضخامت جبهه شعله سبب می‏گردد تا حرارت آزاد شده در اثر واکنش شیمیایی با سرعت بیشتری به دو ناحیه پیش‏گرمایش و احتراق انتقال یافته و از اینرو با افزایش پیش‏گرمایش مخلوط ورودی سبب افزایش مقادیر سرعت سوزش شده و نتایج مدل‏سازی را به داده‏های تجربی نزدیکتر می‏گرداند. دمای گاز نیز در مدل مغشوش کمتر از مدل آرام پیش‏بینی شده و همخوانی بهتری را با داده‏های تجربی نشان می‏دهد. اگر چه مقادیر co مستقل از اثرات اغتشاش بوده و برای هر دو مدل آرام و مغشوش همخوانی خوبی با داده‏های تجربی دارد اما نتایج نشان می‏دهد که با در نظر گرفتن اثرات اغتشاش میزان no که در مدل آرام انحراف قابل توجهی از مقادیر تجربی در ناحیه نزدیک به نسبت هم‏ارزی یک دارد در مدل مغشوش به نتایج تجربی نزدیک می‏گردد. به طور کلی می‏توان بیان نمود که اثرات اغتشاش برای مشعل متخلخل، به ویژه برای نسبت هم‏ارزی‏های نزدیک به یک (بزرگتر از 65/0) و برای محیط متخلخلی با قطر حفره بزرگ، مهم بوده و در نظر گرفتن آن سبب نزدیک‏شدن مقادیر سرعت سوزش، توزیع دما، co و no به داده‏های تجربی می‏گردد