سوخت و احتراق
سال:1388 | دوره:2 | شماره:2 |تعداد مقالات:7

در این نوشتار به بررسی و تحلیل دینامیکی شکست قطرات سوخت در شرایط آستانه ای شکست و در نزدیکی عدد وبر بحرانی پرداخته شده است. تحقیقات پیشین در زمینه جریان های دو فازی پراکنده نشان داده است که عدد وبر بحرانی به نسبت چگالی دو فاز وابسته است، در حالی که در اکثر مدل های مرسوم ارایه شده برای شکست قطرات اسپری از جمله مدل تشابهی تیلور، مقدار عدد وبر بحرانی برابر با 12 فرض می شود. در این مقاله سعی شده است تا با تحلیل ناپایداری های سطحی قطره در شرایط آستانه ای شکست، عملکرد مدل مرسوم شکست تشابهی تیلور بهبود یابد. به نحوی که مدل اصلاح شده بتواند اثرات نسبت چگالی دو فاز را در فرایند شکست لحاظ نماید. نتایج این تحقیق نشان داد که در نسل جدید موتورهای دیزل که فشار محفظه احتراق در آن ها بسیار بالاست، عدد وبر بحرانی از مقدار ثابت و مرسوم 12 فراتر می رود. مقایسه نتایج با داده های تجربی نشان داد که مدل اصلاح شده پیشنهادی در این مقاله می تواند رفتار اسپری دیزل را با دقت بیشتری نسبت به مدل تشابهی تیلور پیش بینی نماید.

در مقاله حاضر یک مشعل متخلخل تابشی از نوع فلزی مورد تحلیل تجربی قرار گرفته است. دو تخلخل متفاوت به طور تک تک و ترکیبی مورد آزمون قرار گرفته اند. دمای سطح و بازده تابشی مشعل به عنوان معیار ارزیابی عملکرد مشعل بررسی شده اند. آزمون ها نشان می دهند که با افزایش نرخ آتش دمای سطح مشعل افزایش می یابد. این افزایش دما در نرخ آتش های کم سریع و با افزایش نرخ آتش کند می شود. در محیط های با تخلخل یکنواخت (غیر ترکیبی) با افزایش ضخامت محیط، دمای سطح و بازده تابشی مشعل کاهش می یابد. همچنین با افزایش تخلخل دمای سطح و بازده تابشی کاهش می یابد. بازده تابشی در این موارد با افزایش نرخ آتش ابتدا افزایش یافته و سپس تقریبا ثابت باقی می ماند. در محیط ترکیبی (با دو نوع تخلخل) دمای سطح در یک ضخامت معین بیشترین مقدار را دارد و بازده تابشی با افزایش نرخ آتش ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش می یابد.

در این پژوهش یک روش عددی دو بعدی برای حل جریان لزج محترق درون یک موتور موشک هیبریدی به منظور تعیین نرخ پسروی سطح سـوخت جامد به کار گرفته شده است. برای حل جـریان از روند ضـمنی LU-SW بر اساس ترکیب روش تفکیک بردار شار ون لیر با روش اختلاف بالادست MUSCL که از محدود کننده مین مود سود می برد، استفاده شده است. با توجه به دیگر پژوهش های تجربی صورت گرفته، جزء شیمیایی  C4H6به عنوان عمده محصول گازی حاصل از فرایند گرماکافت سوخت جامد HTPB در نظر گرفته شده است. برای تعیین نرخ تولید این جزء شیمیایی از یک رابطه تجربی شبه آرنیوسی بهره گرفته شده است. در مرحله بعد، واکنش های شیمیایی بین  C4H6و اکسیژن گازی توسط یک مدل سینتیکی یازده جزیی بیست مرحله ای توصیف شده است. آشفتگی جریان نیز با به کارگیری روش جبری بالدوین-لومکس مدلسازی شده است. با حل جریان محترق، مشخصه های جریان و احتراق درون درگاه گرین (Grain) و نازل از قبیل توزیع دما، عدد ماخ، نرخ پسروی و دمای سطح سوخت تعیین شده است. نتایج شبیه سازی عددی برای یک موتور آزمایشگاهی ارایه شده و نرخ پسروی به دست آمده در مقایسه با دیگر نتایج عددی و تجربی تطابق خوبی را نشان می دهد.

در این مقاله سازوکار سینتیک شیمیایی تفصیلی (76 گونه شیمیایی، 464 واکنش) برای مخلوط گاز طبیعی و هپتان نرمال، با جزء جرمی دلخواه بین 34 و 85 درصد گاز طبیعی، با استفاده از ترکیب واکنش های تفصیلی گاز طبیعی و هپتان نرمال توسعه یافت. سپس با انجام تحلیل حساسیت سازو کار ترکیبی، واکنش های مهم مشخص شدند. همچنین از الگوریتم ژنتیک، برای بهینه سازی ضرایب آرنیوس واکنش های مشخص شده توسط آزمون حساسیت، استفاده شد. سرانجام با استفاده از دو پیکره بندی مختلف (شش منطقه ای و یازده منطقه ای) برای مدل چند منطقه ای احتراق و نتایج آزمایشگاهی موجود، دقت سازوکار ارایه شده بررسی شد. همچنین نتایج دو پیکره بندی مختلف برای مدل چند منطقه ای احتراق با هم مقایسه شدند. نتایج به دست آمده نشان داد که دو پیکره بندی مختلف، متغیرهای احتراقی، عملکردی یعنی شروع احتراق، تداوم احتراق، فشار متوسط، بازده گرمایی و انتشار آلاینده های موتور مخلوط همگن اشتعال تراکمی یعنی هیدروکربن های نسوخته و مونواکسیدکربن را به صورت مناسبی پیش بینی کرده است، به طوری که توافق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند. همچنین نتایج مدل احتراقی با شش منطقه، نزدیک به مدل احتراقی با یازده منطقه بود. اما زمان محاسبات لازم برای مدل احتراقی با یازده منطقه تقریبا دو برابر مدل احتراقی با شش منطقه بود.

امروزه سیستم پیشرانش کاتالیستی برای تصحیح مدار ماهواره استفاده می شود. پیشرانه مورد استفاده در این نوع سیستم ها عموما هیدرازین است که در حضور کاتالیست Ir/γ-Alumina تجزیه و خروج محصولات با دمای بالا و جرم مولکولی پایین منجر به ایجاد نیروی پیشرانش برای تصحیح و تنظیم مدار ماهواره می شود. واکنش تجزیه هیدرازین که واکنش احتراق کاتالیستی است از دو بخش تولید و تجزیه آمونیاک تشکیل شده است. میزان ضربه ویژه که نماینده عملکرد سیستم است، در حدود 180 تا 240 ثانیه است. در صورتی که به دلیل ایجاد هر گونه مشکل در کاتالیست، واکنش تجزیه هیدرازین فقط شامل تجزیه هیدرازین و ایجاد آمونیاک باشد، احتراق ناقص است و در این صورت عملکرد سیستم مطلوب نخواهد بود. در این پژوهش، عملکرد سیستم در حالت احتراق ناقص کاتالیستی مدل می شود. نتایج این مدل نشان می دهند که میزان ضربه ویژه در این حالت در حدود 150 ثانیه است. این مدل درک درستی از معادلات عملکرد حاکم بر سیستم ارایه خواهد داد. نتایج تجربی نیز صحت داده های حاصل از مدل را تایید می کنند.

احتراق تحت شرایط رقیق سازی زیاد و دمای پیش گرم بالا (Mild) دارای ویژگی هایی است که آن را از سایر سیستم های احتراقی متمایز می کند. از جمله آن ها، کاهش چشمگیر اکسیژن در منطقه واکنش در مقایسه با احتراق عادی و در نتیجه کم سرعت بودن واکنش ها و به عبارت دیگر آرام سوزی است. این امر موجب می شود که مقیاس زمانی جریان و انجام واکنش ها به یکدیگر نزدیک شود. برای مطالعه این شرایط  (Regime)احتراقی شعله متقارن محوری مخلوط CH4+H2 آزمایش های گروه دالی که شرایط احتراق Mild را دارد، مبنای مدلسازی قرار گرفته است[Proc. Combust. Inst. 29 (2002) 1147-1154]  در مدلسازی انجام شده از معادلات RANS و مدل توربولانسی اصلاح شده به همراه مدل EDC برای ایجاد رابطه مناسب بین سینتیک شیمیایی و آشفتگی جریان و همچنین از سازوکارهای شیمیایی کامل GRI2.11 و کاهش یافته DRM-22 استفاده شده است. با تغییر غلظت اکسیژن هوای داغ ورودی و سرعت فواره سوخت، ویژگی های این شرایط احتراقی نظیر اهمیت قدرت نفوذ مولکولی در میدان و سرعت واکنش ها و توزیع متغیرهای میدان بررسی شد. دیده شد که در چنین شرایطی پدیده انتقال مولکولی که در جریان های آشفته متعارف معمولا قابل صرف نظر کردن است، دارای اهمیت خواهد شد. همچنین نتایج حاکی از آن است که با دور شدن از دهانه نازل، سرعت و شدت واکنش ها افزایش یافته و ضمن دور شدن از شرایط احتراق Mild از دقت مدلسازی کاسته می شود. همچنین در نزدیکی دهانه نازل و غلظت های اکسیژن کم و رینولدزهای پایین اثرگذاری انتقال مولکولی قابل توجه است و نباید از آن صرف نظر شود. مقایسه نتایج مدلسازی و تجربی حاکی از رضایت بخش بودن دقت نتایج عددی دارد.

در این مقاله با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی و در نظر گرفتن سینتیک تفصیلی شیمیایی به بررسی عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن با سوخت گاز طبیعی پرداخته شده است. سپس تاثیر افزودن مقادیر مختلف فرمالدهید به سوخت، بر روی متغیرهای عملکردی موتور مطالعه شده است. نتایج نشان می دهد که می توان با افزودن فرمالدهید به سوخت، محدوده کاری موتور را تغییر داد. از سوی دیگر برای هر شرایط کاری موتور، مقدار افزودنی بهینه ای وجود دارد که تحت آن مقدار، کار و توان موتور به بیشینه خود می رسد. همچنین نشان داده شده است که با استفاده از این افزودنی، مخلوط هوا و سوخت در دمای پایین تری محترق می شود، بنابراین می توان دمای ورودی مخلوط را کاهش داد و به این ترتیب با افزایش بازده حجمی، به کارایی بالاتری دست یافت.