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، دینامیک‌های شعله برای احتراق پیش‌آمیخته رقیق هیدروژن–هوا در یک میکروکانال گرم­شونده با استفاده از شبیه‌سازی عددی استخراج می‌شود. به منظور شبیه‌سازی 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 ه مارزی و عرض کانال بر رژیم­های شعله بررسی میگردد. 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 پایین دست 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 هم ارزی و عرض کانال در یک میکروکانال ارائه گردید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Maps of Flame Dynamics for Premixed Lean Hydrogen-Air Combustion in a Heated Microchannel

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 combustion of premixed lean hydrogen-air 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 low Mach number and with consideration of detail chemical kinetics. Regarding different conditions, three dynamics is observed in the micro channel including periodic repetitive ignition-extinction, steady symmetric flame and steady asymmetric flame. Effects of different parameters such as inlet velocity, equivalence ratio, and channel width are investigated on the flame dynamics. .

کلیدواژه‌ها [English]

  • Small-scale combustion
  • Heated microchannel
  • Flame dynamics
  • numerical simulation
[1] K. Maruta, T. Kataoka, N. Il, S. Minaev, R. Fursenko, and N. Il Kim, Characteristics of combustion in a narrow channel with a temperature gradient, Proceedings of the Combustion Institute, 30(2) (2005) 2429–2436.
[2] Y. Ju and B. Xu, Theoretical and experimental studies on mesoscale flame propagation and extinction, Proceedings of the Combustion Institute, 30(2) (2005) 2445–2453.
[3] Y. Ju and B. Xu, Effects of Channel Width and Lewis Number on the Multiple Flame Regimes and Propagation Limits in Mesoscale, Combustion Science and Technology, 178(10–11) (2006) 1723–1753.
[4] K. Maruta, J. K. Parc, K. C. Oh, T. Fujimori, S. S. Minaev, and R. V. Fursenko, Characteristics of Microscale Combustion in a Narrow Heated Channel, Combustion, Explosion, and Shock Waves, 40(5) (2004) 516–523.
[5] G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides, K. Boulouchos, and A. T. G., Dynamics of premixed hydrogen/air flames in mesoscale channels, Combustion and Flame, 155(1–2) (2008) 2–20.
[6] G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, a. G. Tomboulides, and K. Boulouchos, Three-dimensional simulations of premixed hydrogen/air flames in microtubes, Journal of Fluid Mechanics, 658 (2010) 463–491.
[7] F. Richecoeur and D. C. Kyritsis, Experimental study of flame stabilization in low Reynolds and Dean number flows in curved mesoscale ducts, Proceedings of the Combustion Institute, 30(2) (2005) 2419–2427.
[8] C. J. Evans and D. C. Kyritsis, Operational regimes of rich methane and propane/oxygen flames in mesoscale non-adiabatic ducts, Proceedings of the Combustion Institute, 32(2) (2009) 3107–3114.
[9] G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides, and K. Boulouchos, Dynamics of premixed hydrogen/air flames in micro channels, Combustion and Flame, 155(1) (2008) 2–20.
[10] G. Pizza, C. E. Frouzakis, J. Mantzaras, A. G. Tomboulides, and K. Boulouchos, Dynamics of premixed hydrogen / air flames in microchannels, Combustion and Flame, 152(3) (2008) 433–450.
[11] Y. Fan, Y. Suzuki, and N. Kasagi, Experimental study of micro-scale premixed flame in quartz channels, Proceedings of the Combustion Institute, 32(2) (2009) 3083–3090.
[12] A. Fan et al., Dynamic Behavior of Splitting Flames in a Heated Channel, Combustion, Explosion, and Shock Waves, 45(3) (2009) 245–250.
[13] Y. Fan, Y. Suzuki, and N. Kasagi, Quenching mechanism study of oscillating flame in micro channels using phase-locked OH-PLIF, Proceedings of the Combustion Institute, 33(2) (2011) 3267–3273.
[14] S. Minaev, K. Maruta, and R. Fursenko, Nonlinear dynamics of flame in a narrow channel with a temperature gradient, Combustion Theory and Modelling, 11(2) (2007) 187–203.
[15] T. L. Jackson, J. Buckmaster, Z. Lu, D. C. Kyritsis, and L. Massa, Flames in narrow circular tubes, Proceedings of the Combustion Institute, 31(1) (2007) 955–962.
[16] V. N. Kurdyumov, G. Pizza, C. E. Frouzakis, and J. Mantzaras, Dynamics of premixed flames in a narrow channel with a step-wise wall temperature, Combustion and Flame, 156(11) (2009) 2190–2200.
[17] H. Nakamura et al., Bifurcations and negative propagation speeds of methane/air premixed flames with repetitive extinction and ignition in a heated microchannel, Combustion and Flame, 159(4) (2012) 1631–1643.
 [18] Y. Tsuboi, T. Yokomori, and K. Maruta, Lower limit of weak flame in a heated channel, Proceedings of the Combustion Institute, 32(2) (2009) 3075–3081.
[19]   A. Yamamoto, H. Oshibe, H. Nakamura, T. Tezuka, S. Hasegawa, and K. Maruta, Stabilized three-stage oxidation of gaseous n-heptane/air mixture in a micro flow reactor with a controlled temperature profile, Proceedings of the Combustion Institute, 33(2) (2011) 3259–3266.
[20] G. Pizza, J. Mantzaras, and C. E. Frouzakis, Flame dynamics in catalytic and non-catalytic mesoscale microreactors, Catalysis Today, 155(1–2) (2010) 123– 130.
[21] U. R. S. Dogwiler, J. Mantzaras, P. Benz, B. Kaeppeli, and R. Bombach, Homogeneous ignition of methane-air mixtures over platinum: Comparison of measurements and detailed numerical predictions, Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion/The Combustion Institute, (1998) 2275–2282.
[22] V. Kurdyumov, E. Fernández-Tarrazo, J.-M. Truffaut, J. Quinard, A. Wangher, and G. Searby, Experimental and numerical study of premixed flame flashback, Proceedings of the Combustion Institute, 31(1) (2007) 1275–1282.
[23] A. Petchenko and V. Bychkov, Axisymmetric versus non-axisymmetric flames in cylindrical tubes, Combustion and Flame, 136(4) (2004) 429–439.
[24] C.-H. Tsai, The Asymmetric Behavior of Steady Laminar Flame Propagation in Ducts, Combustion Science and Technology, 180(3) (2008) 533–545.
[25] S. R. Turns, An Introduction to combustion : Concepts and Applications, Second Edi. Mc Graw Hill, 200AD.
[26] R. A. Yetter, F. L. Dryer, and H. Rabitz, A Comprehensive Reaction Mechanism For Carbon Monoxide/Hydrogen/Oxygen Kinetics, Combustion Science and Technology, 79 (1991) 97–128.
[27] A. Alipoor and M. H. Saidi, Numerical study of hydrogen-air combustion characteristics in a novel micro-thermophotovoltaic power generator, Applied Energy, 199 (2017) 382–399.
[28] A. Alipoor and K. Mazaheri, Combustion characteristics and flame bifurcation in repetitive extinction-ignition dynamics for premixed hydrogen-  air combustion in a heated micro channel, Energy, 109 (2016) 650–663.
[29] A. Alipoor, K. Mazaheri, and A. Shamooni, Asymmetric hydrogen flame in a heated micro-channel : Role of Darrieus e Landau and thermal-diffusive instabilities, International Journal of Hydrogen Energy, 41(44) (2016) 20407–20417.
[30] A. Alipoor and K. Mazaheri, Studying the repetitive extinction-ignition dynamics for lean premixed hydrogen-air combustion in a heated microchannel, Energy, 73 (2014) 367–379.
[31] T. Poinsot and D. Veynanye, Theoretical and Numerical Combustion, 2nd ed. Edwards, 2005.