مقدمه ای بر مدل سازی احتراق

در مقالات آموزشی مهندسی مکانیک  گرایش سیالات در گذشته به مدل سازی احتراق در نرم افزار های مهندسی OpenFoam و Fluent پرداخته شده که امیدواریم برای شما عزیران در ارایه مقالات آموزشی و پژوهشی, پایان نامه های کارشناسی ارشد مفید واقع شود.

ورودي­هاي مورد نياز يك مدل احتراق شامل اطلاعات هندسه، شرايط جريان در ورودي محفظه احتراق و همچنين اطلاعات و مشخصات ميدان جريان مي­باشد. شناخته شده ­ترين روش­هاي مدل­سازي فرايند احتراق، مدل­هايي مانند جريان واکنشي CFD و ديناميک احتراق محاسباتي CCD مي­باشند. مي­توان گفت همواره در روش­هاي توسعه داده شده مدل­هاي احتراق، رابطه­اي ميان دقت محاسبات ميدان جريان و دقت تحليل­هاي شيميايي وجود دارد. به عنوان مثال، در روش­هاي CFD، با وجود اينكه ميدان جريان با دقت بالايي محاسبه مي­شود، ولي در تحليل­هاي شيميايي ساده­ سازي نسبتاً زيادي انجام مي­شود. اين درحالي است كه در ساير روش­ها عموماً در محاسبات ميدان جريان ساده­ سازي مي­شود و در مقابل واكنش­هاي شيميايي با دقت بالاتري مورد مطالعه و مدل­سازي قرار مي­گيرند. شناخته شده ­ترين مدل­هاي مورد استفاده در شبيه ­سازي جريان واكنشي عبارتند از:

• Fast-chemistry
• Flamelet
• مدل­هاي تعادلي

در ميان روش­هاي فوق، دو روش ابتدايي محدود به عدد دامكولر )Damkohler( بزرگ مي­شوند. چنانچه در معادله زير نمايش داده شده است، عدد دامكولر بزرگ به معناي نسبت زماني واكنش به نسبت زماني جريان كوچك­ است.

مدل­هاي Fast-chemistry به طور گسترده در مدل­سازي شعله­ هاي ديفيوژن استفاده مي­شود. درحالي­كه، مدل‌هاي Flamelet براي مدل­سازي انواع شعله­ هاي ديفيوژن و پيش­ آميخته كاربرد دارند. در مدل­هاي تعادلي زمان سكون (Residence time) بسيار بزرگي براي فرايند احتراق در نظر گرفته مي­شود، به نحوي كه زمان كافي به منظور رسيدن به شرايط تعادلي وجود دارد. لازم به توضيح است كه چنين مدلي مي­تواند براي محاسبه توزيع دما در محفظه احتراق مناسب باشد، اما در واقع واكنش­هاي فراواني در احتراق وجود دارد كه به تعادل نمي­رسند و وجود چنين فرضياتي سبب ايجاد خطاهاي بزرگي در روند محاسبات و به ­ويژه تخمين محصولات احتراق و آلاينده­ها مي­گردد.

شبكه واكنش دهنده­ هاي شيميايي (CRN) روش ديگري است كه در مدل­سازي فرايندهاي احتراق كاربرد دارد. در اين روش محفظه احتراق به ناحيه­ هاي كوچكي با مشخصات جريان يكسان تقسيم مي­شود و هر ناحيه با مجموعه­اي از واكنش­هاي شيميايي مدل مي­گردد. در اين روش دقت محاسبات شيميايي به بهاي كاهش دقت محاسبات جريان، افزايش مي­يابد.

بدون توجه به اينكه چه فرضيات و روشي در مدل­سازي احتراق مورد استفاده قرار مي­گيرد، نخستين گام در مدل­سازي فرايندهاي احتراق، مدل­سازي و تعريف نحوه واكنش واكنش ­دهنده­ ها با يكديگر و توليد محصولات مي­باشد. چنين مدلي مكانيزم احتراق (Combustion mechanism) ناميده مي­شود.

با وجود اينکه به صورت کلي مي­توان واکنش سوخت و هوا را با واکنشي شيميايي در يک خط نشان داد که در آن واكنش­دهنده­ ها در يک طرف و محصولات احتراق در سمت ديگر قرار گيرند؛ ولي، اين تنها يک نماي کلي از آن چيزي است که در واقعيت رخ مي­دهد و به هيچ وجه تمام داستان را بيان نمي­کند. اين نوع واکنش­هاي شيميايي که به آن­ها واکنش کلي گفته مي­شود، محصولات نهايي اصلي را بيان مي­کنند و اطلاعاتي راجع به واکنش­هاي مياني انجام شده در فرايند احتراق و محصولاتي که در نسبت اندک توليد شده­ اند در اختيار نمي­گذارند. فرمولاسيون محصولات نهايي نتيجه برخورد مولکول­هاي سوخت و هوا نمي­باشد. در واقع، امکان توليد محصولات نهايي از برخورد مستقيم مولکول­هاي سوخت و هوا بسيار اندک مي­باشد و بيشتر محتمل آن است که تعدادي مولکول و اتم مياني که مسئول توليد محصولات نهايي مي­باشند، توليد شود. اين واکنش­ها با نام واکنش­هاي مقدماتی (Elementary reaction) شناخته مي­شوند و تصويري نزديک به آنچه در واقع در محفظه احتراق رخ مي­دهد در اختيارمان قرار مي­دهند.

.

واکنش­هاي مقدماتي نشان مي­دهند که چگونه مولکول­ها و راديکال­هاي ناپايدار و با عمر کوتاه مي­توانند واکنش دهند و  محصولات پايدار و نهايي را توليد کنند. احتراق هر نوع سوخت با هوا داراي مکانيزم احتراق مخصوص به خود است. بسياري از تحقيقات، آزمايش­ها و مطالعات در مورد يافتن مکانيزم احتراق سوخت­هاي مختلف و هوا انجام شده است. حتي در برخي مواقع مکانيزم­هاي مختلفي براي يک نوع سوخت در شرايط کاري گوناگون محفظه احتراق تعريف شده است. به منظور کاهش پيچيدگي مکانيزم احتراق مولکول­هاي بزرگ سوخت، واکنش­هاي اوليه مقدماتي که مسئول شکستن مولکول سوخت به مولکول­هاي کوچک­تر مي­باشد در قالب چند واکنش کلي شيميايي بيان مي­شود. در اين روش، مکانيزم­هاي احتراق موجود براي مولکول­هاي کوچک­تر سوخت با واکنش­هاي کلي مربوط به شکستن مولکول­هاي بزرگ سوخت ترکيب مي­شوند.

نكته ديگر اين است كه بسياري از سوخت­هاي هيدروکربني در صنعت که مشتق شده از نفت خام مي­باشند، شامل ترکيبي از انواع هيدروکربن­ها مي­باشد. براي مثال، سوخت­هاي هوايي شامل بيش از 300 نوع ترکيب هستند. مدل کردن مکانيزم احتراق تمامي ترکيبات به کار رفته در سوخت کاري مشکل و غير ممکن مي­باشد. در چنين مواردي به منظور کاهش تعداد ترکيبات سوخت به تعدادي قابل مديريت (10 تا 15 مورد) مدل جانشينی  (Surrogate model) مورد استفاده قرار مي­گيرد. مدل جانشيني در احتراق اسپري، ميدان جريان داخلي، مکانيزم احتراق و تست­هاي آزمايشگاهي کاربرد دارد.

برای مدل سازی احتراق از نرم افزارهای مهندسی پرکاربرد Fluent و OpenFoam بسیار استفاده می شود که شما می توانید با یادگیری نرم افزار های Fluent و Openfoam به ارایه مقالات آموزشی و پژوهشی و پایان نامه کارشناسی ارشد بپردازید .

برای آشنایی با مقاله های آموزشی در رشته مهندسی مکانیک می توانید با کلیک بر روی عنوان های زیر به مقاله های مربوطه هدایت شوید:

آموزش نصب نرم افزار CFX

معرفی زبان ++C

آشنایی با نرم افزار Fortran

آموزش نصب نرم افزار Visual Studio