سوخت و احتراق
سال:1392 | دوره:6 | شماره:1 |تعداد مقالات:7

موتورهای احتراقی HCCI، به دلیل مصرف سوخت و آلایندگی پایین، در سال های اخیر مورد توجه بسیاری از پژوهشگران قرار گرفته اند. همزمان با پژوهش های آزمایشگاهی متعددی که در مورد این موتورها صورت گرفته است، مدلسازی ریاضی نیز همواره به عنوان ابزاری برای پیش بینی رفتار احتراقی، عملکردی و آلایندگی آن ها به کار رفته است. هرچند استفاده از سازوکارهای سینتیک شیمیایی مفصل در مدل های احتراقی به پیش بینی مناسبی از رفتارهای یادشده خواهد انجامید، اما از سوی دیگر این امر به افزایش قابل توجه زمان محاسبات خصوصا در مدل های احتراقی دقیق تر نیز منجر خواهد شد. در پژوهش حاضر، با هدف رفع این مشکل، فرایند کاهش مکانیزم در شرایط موتور احتراقی HCCI مدنظر قرار گرفت. در این راستا، از یک مدل تک منطقه ای بهینه سازی شده به عنوان ابزار لازم برای شبیه سازی احتراق استفاده شد. بر اساس مطالعات انجام شده در این پژوهش، روش گراف روابط جهت دار به همراه انتشار خطا (DRGEP)، به دلیل زمان محاسباتی پایین در عین دقت بالا، به عنوان روش مناسب برای فرایند کاهش مکانیزم انتخاب شد. علاوه بر این، به جای رویکرد سنتی کاهش تک مرحله ای، از یک رویکرد نوین مبتنی بر کاهش تدریجی مجهز به کنترل خطا بهره گرفته شد. با این رویکرد، فرایند کاهش مکانیزم به صورت کاملا خودکار در بازه وسیعی از شرایط کارکردی موتور HCCI بر روی مکانیزم GRI-Mech3.0 برای شبیه سازی احتراق سوخت گاز طبیعی، و مکانیزم گالوویچف برای شبیه سازی احتراق هپتان نرمال اجرا شد. در انتهای این فرایند، اندازه این دو مکانیزم به ترتیب از 53 گونه و 325 واکنش، و 57 گونه و 290 واکنش، به مقادیر 24 گونه و 95 واکنش، و 42 گونه و 146 واکنش کاهش یافت. با این وجود خطای کاهش در همه حالت ها کمتر از 1 درصد باقی ماند.

در این مقاله، رفتار نوسانی و متوسط زمانی آتش سوزی در مجاورت دیوار عمودی و جریان القایی آن در حالت سه بعدی و ناپایا به روش شبیه سازی گردابه های بزرگ بررسی شده است. به منظور افزایش دقت محاسبه لزجت اغتشاشی، از مدل یک معادله ای برای اعمال اثرات زیرشبکه استفاده شده است. مدل سازی احتراق بر مبنای احتراق غیرپیش آمیخته و با استفاده از مدل اصلاح شده اتلاف گردابه برای روش شبیه سازی گردابه های بزرگ و مدل سازی تابش به روش جهات گسسته صورت گرفته است. دو میزان نرخ حرارت آزادشده 36 و 54 کیلووات در حالت بزرگ مقیاس ارزیابی شده است. مقایسه مقادیر متوسط زمانی دما و سرعت حاصل از مطالعه حاضر با نتایج تجربی نشان می دهد که روش استفاده شده تغییرات دما و سرعت را در مجاورت دیوار با تخمین قابل قبولی محاسبه می کند، اما به طور کلی در فواصل نزدیک به دیوار خطای تخمین دما و سرعت افزایش می یابد. بررسی رفتار نوسانی آتش نشان می دهد که دامنه تغییرات سرعت عمودی لحظه ای با دور شدن از دیوار در راستای عمود بر آن کاهش می یابد. علاوه بر آن، شدت نوسانات در راستای موازی با دیوار با دورترشدن از ناحیه تشکیل شعله به شکل قابل ملاحظه ای افزایش می یابد.

در این تحقیق، یک مدل عددی در نرم افزار فایر (Fire) برای مطالعه احتراق و پاشش سوخت در استوانه (Cylinder) یک نمونه موتور اشتعال جرقه ای با پاشش مستقیم گاز طبیعی فشرده استفاده شده است. تحقیق به دو بخش مختلف تقسیم شده است. در بخش اول، پاشش سوخت گازی از طریق یک افشانه تک سوراخه در پنج نوع هندسه مختلف برای محفظه احتراق مطالعه شده و خواص پاشش سوخت در این حالت ها به دست آمده است. با استفاده از تحلیل های کمی و کیفی در مورد شکل مناسب محفظه احتراق برای کارکرد موتور در حالت پاشش مستقیم بحث شده و در انتها بهترین شکل هندسه انتخاب شده است. در بخش دوم، با استفاده از هندسه انتخاب شده بر روی زمان بندی جرقه و محل شمع، به عنوان دو متغیر بسیار مهم، مطالعات احتراقی صورت گرفته است. پنج حالت مختلف برای قرارگیری شمع در نظر گرفته شده و ایده استفاده از دو شمع نیز بررسی شده است. بهترین نتایج احتراقی مربوط به حالتی بوده که در آن از دو شمع استفاده شده است. در پایان، با درنظر گرفتن بهترین محل برای شمع، اثر زمان بندی جرقه نیز مطالعه شده است. نتایج حل احتراق نشان می دهد، برای بهترین خواص احتراقی، جرقه می بایست در 50 درجه قبل از نقطه مرگ بالا صورت گیرد.

تحلیل اگزرژی اطلاعات سودمندی در راستای بهینه سازی سیستم ها فراهم می کند. در کار حاضر، ابتدا یک مدل احتراق چندمنطقه ای برای موتورهای دیزلی توسعه داده شده و سپس معادلات حاکم بر تحلیل اگزرژی به آن اعمال شده است. در مدل احتراق چندمنطقه ای از مفهوم تعادل شیمیایی بر اساس روش اولیکارا و برمن برای محاسبه غلظت گونه های تعادلی استفاده شده است. همچنین، در محاسبه اگزرژی شیمیایی مخلوط داخل سیلندر در هر لحظه از مفاهیم اگزرژی شیمیایی اکسیداسیونی، احیا و نفوذی بهره گرفته شده است. در این کار، تحلیل اگزرژی به سیکل بسته موتور دیزلی، یعنی از لحظه بسته شدن سوپاپ ورودی تا لحظه بازشدن سوپاپ خروجی، اعمال می شود. در ادامه جمله های مختلف اگزرژی به صورت جداگانه بر حسب درجه میل لنگ محاسبه و تاثیر زمان پاشش سوخت بر جمله های مختلف اگزرژی بررسی شده است. نتایج نشان می دهند که با پیش انداختن زمان شروع پاشش، اگزرژی کار و اگزرژی حرارت اتلافی افزایش و بازگشت ناپذیری کاهش می یابد.

در بسیاری از فرایندهای مهندسی و صنعتی، استفاده از افشانه ها کاربرد فراوانی دارد. در این راستا بررسی رفتار تبخیری قطرات افشانه از اهمیت بسزایی برخوردار است. یکی از فرض هایی که در مدلسازی رفتار تبخیری قطرات افشانه مورد استفاده قرار می گیرد، فرض عدد لوئیس واحد است، که در این تحقیق صحت این فرض بررسی و ارزیابی شده است. بدین منظور، معادلات انتقال جرم و انرژی برای یک تک قطره محاسبه شده اند. در این راستا، یک قطره سوخت (هپتان نرمال) و یک قطره آب در فشار و دمای مختلف مطالعه شده اند. به منظور اطمینان از صحت محاسبات، نتایج با داده های آزمایشگاهی و عددی گزارش شده در مقالات مقایسه شده و هماهنگی خوبی بین نتایج مشاهده شد. زمان تبخیر و دمای نهایی قطره، یک بار با درنظرگرفتن فرض لوئیس واحد و یک بار بدون درنظرگرفتن این فرض، برای سوخت مذکور و آب مقایسه شده اند. با توجه به نتایج حاصل به نظر می رسد فرض لوئیس واحد، فرض مناسبی برای مطالعه رفتار تبخیری سوخت ها نیست. اما، برخلاف سوخت ها، نتایج حاصل از اعمال فرض لوئیس واحد برای قطره آب، در مقایسه با حالتی که این فرض اعمال نشده است، مطابقت خوبی دارد. در این حالت دمای نهایی قطره آب به دمای حباب تر هوا نزدیک تر است.

در کار صورت گرفته به بررسی عملکرد یک مشعل متخلخل تحت اثر یک گاز عملگر تشعشعی پرداخته می شود. مشعل های متخلخل بر اساس تبدیل انرژی بین آنتالپی گاز عبوری و تشعشع حرارتی عمل می کنند. در مطالعه حاضر فازهای گاز و جامد در حالت عدم تعادل حرارتی قرار دارند و احتراق در مشعل توسط یک ناحیه تولید حرارت با توزیع غیریکنواخت سهموی شبیه سازی می شود. از آنجا که محیط متخلخل یک جسم خاکستری درنظر گرفته می شود، علاوه بر تبادل حرارتی جابه جایی با گاز، قابلیت جذب، صدور و پخش تشعشع حرارتی را نیز دارد. به منظور تعیین دقیق تر رفتار حرارتی مشعل متخلخل، تشعشع گاز عبوری نیز درنظر گرفته شده و یک آنالیز تئوری در مختصات دوبعدی و با درنظرگرفتن هر سه نوع انتقال حرارت جابه جایی، هدایت و تشعشع در محیط متخلخل و جریان گاز صورت گرفته است. جهت یافتن توزیع شار حرارت تشعشعی در محیط متخلخل از روش جهت های مجزا استفاده شده است و سپس معادلات به هم پیوسته انرژی فازهای گاز و جامد به صورت همزمان در شرایط پایدار حل می شوند. در نهایت اثر تشعشع گاز عملگر بر عملکرد مشعل متخلخل تابشی بررسی شده است. به منظور صحت روش عددی در کار حاضر، نتایج به دست آمده با نتایج تئوری و تجربی محققان دیگر مقایسه شده است و تطابق خوبی مشاهده شده است.

در این تحقیق، شعله برخاسته فواره (Jet) آشفته نفوذی، که با سازوکار خوداشتعالی پایدار شده، با استفاده از روش معادله انتقال تابع دانسیته احتمال (PDF) بررسی می شود. برای این منظور، از سازوکار شیمیایی پیچیده و مدل اصلاح شده اختلاط ملکولی کرل (Curl) استفاده می شود. هدف اصلی در این مطالعه بررسی تاثیر درنظر گرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-e استاندارد است. لحاظ کردن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی بر کمیات اسکالر مانند دما و کسر جرمی اجزا و همچنین محل برخاستگی شعله تاثیر محسوسی دارد. نتایج نشان می دهند محل برخاستگی شعله با درنظرگرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل  k-eاستاندارد بهتر پیش بینی شده و به نتایج تجربی نزدیک تر است. بر اساس مطالعات قبلی، مدل k-e استاندارد نرخ گسترش فواره را در فواره های مدور بیشتر از مقدار واقعی پیش بینی می کند. در این مطالعه ملاحظه شد درنظرگرفتن تغییرات دانسیته در مدل آشفتگی نسبت به مدل آشفتگی k-e استاندارد بهبود توزیع دما و کسر جرمی اجزا در ناحیه برخاستگی شعله و در پایین دست جریان فواره را به همراه دارد.