نقشه‌های دینامیک شعله برای احتراق رقیق هیدروژن – هوا در میکروکانال گرم شونده

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه شهید چمران اهواز

2 دانشگاه تربیت مدرس- دانشکده مهندسی مکانیک

چکیده

در کار حاضر، دینامیک های شعله برای احتراق پیش آمیخته رقیق هیدروژن – هوا در یک میکروکانال گرم شونده با استفاده از شبیه سازی عددی استخراج می‌شود. به منظور شبیه سازی پدیده احتراق در این مقیاس معادلات نویر-استوکس به همراه معادلات بقای انرژی و بقای گونه با فرمولبندی عدد ماخ پایین و با در نظر گرفتن سینتیک جزیی در نظر گرفته می‌شود. با توجه به شرایط مختلف، سه رژیم خاموشی-اشتعال مکرر، رژیم پایای متقارن و رژیم پایای نامتقارن برای شعله مشاهده می‌شود. فیزیک حاکم بر رژیم‌های مختلف، تاثیر سرعت جریان ورودی، نسبت هم‌ارزی و عرض کانال بر رژیم‌های شعله بررسی می گردد. رژیم خاموشی-اشتعال مکرر در سرعت‌های پایین و در نزدیکی حد شعله وری پایین مشاهده می‌شود. با افزایش سرعت جریان ورودی و ایجاد تعادل بین مقیاس زمانی واکنش و مقیاس زمانی اقامت سیال در کانال، شعله‌ای پایا و متقارن درون کانال مشاهده می‌شود. در این حالت مقدار بیشینه دما و کسر جرمی گونه‌ها بر روی خط تقارن کانال قرار دارد. در ادامه با افزایش سرعت جریان ورودی در یک کانال معین، شعله در ناحیه خط تقارن کانال، به سمت پایین‌دست جریان حرکت می‌کند و در نزدیکی دیوار کشیده می‌شود. در این حالت سطح جبهه شعله مستعد ناپایداری می‌باشد و تحت تاثیر اغتشاشات موجود در کانال، جبهه شعله ناپایدار می‌شود. نقشه‌های رژیم شعله در ابعاد کوچک، برای مخلوط هیدوژن-هوا براساس سه پارامتر سرعت جریان ورودی، نسبت هم‌ارزی و عرض کانال در یک میکروکانال ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Flame Dynamics Maps for Lean Hydrogen-Air Combustion in a Heated Micro channel

نویسندگان [English]

  • Alireza Alipoor 1
  • Kiumars Mazaheri 2
1 Shahid Chamran University of Ahvaz
2 Faculty of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University
چکیده [English]

In the present work, flame dynamics are extracted for lean hydrogen-air premixed combustion in a heated microchannel using numerical simulation. In order to simulate the combustion phenomenon at this scale, Navier-Stokes equations along with energy and species conservation equations are considered by formulation of a low Mach number and taking account of detail chemical kinetics. In the present work, three flame dynamics including repetitive ignition-extinction flame, steady symmetric flame and asymmetric steady flame are observed. Effects of inlet flow velocity, equivalence ratio, and channel width on the flame dynamics are investigated. Repetitive ignition-extinction flame is observed at low inlet velocities close to the lower flammability limit. By increasing the inlet flow velocity and creating a balance between the reaction time and fluid residence time in the channel, a steady symmetric flame is shown in the channel. In this situation, the maximum temperature and mass fraction of species are located on the symmetry line of the channel. By increasing the inlet flow velocity in a same channel width, the flame moves toward downstream at the symmetry line of channel and stretches near the wall.
Hence, the surface of the flame front is susceptible to instability and becomes unstable due to flow perturbations. The flame dynamics maps in the small scales are presented for the hydrogen-air mixture based on three parameters of inlet flow velocity, equivalence ratio and channel width in the microchannel.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Small-scale combustion
  • Heated microchannel
  • Flame dynamics
  • numerical simulation