شبیه‌سازی عددی رفتار ارتعاشی دیواره یک محفظه احتراق آزمایشگاهی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، دانشکده مهندسی، دانشگاه شهید چمران اهواز، اهواز، ایران

2 استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، ایران

چکیده

محفظه احتراق یکی از اجزای مهم سیستم‌های تولید توان است که عملکرد مناسب آن در راندمان سیستم و نیز میزان آلایندگی تاثیر مستقیم دارد. افزایش روزافزون آلاینده‌های ناشی از محفظه‌های احتراق موجب توسعه روش‌های نوین احتراقی مانند احتراق رقیق پیش‌آمیخته برای جایگزینی با شعله‌های سنتی غیرپیش‌آمیخته شده است، اما‌ این نوع احتراق بیشتر از احتراق سنتی در معرض ناپایداری‌ها و نوسانات فشار و سرعت است. به دلیل حرارت بالای محفظه، برهمکنش بین حرارت آزاد شده و امواج اکوستیک موجود در محفظه احتراق می‌تواند منجر به تقویت امواج فشاری و ‌ایجاد نویز و صدا و ‌ایجاد ارتعاش در دیواره محفظه احتراق می‌شود که در صورت تداوم، می‌تواند موجب آسیب شود. در پژوهش حاضر، ابتدا ارتعاشات آزاد دیواره محفظه در حالت سرد بررسی می‌شود و مدل اجزای محدود آن با بهره‌گیری از پارامترهای مودال تجربی به‌روز ‌می‌گردد. در حالت گرم نیز ابتدا فرایند به‌روزرسانی مدل انجام شده و سپس با بهره‎گیری از نتایج حاصل از تحلیل جریان درون محفظه و با در نظر گرفتن شعله به عنوان یک منبع آکوستیک، پاسخ گذرای دیواره محاسبه می‌شود. براساس نتایج بدست‌ آمده، پارامترهای مودال دیواره با دقت قابل قبولی تخمین زده شده و با تحلیل گذرا نیز دامنه سرعت دیواره با دقت قابل قبولی پیش‌بینی شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical Simulation of Liner Vibrations in a Laboratory Combustion Chamber

نویسندگان [English]

  • Laleh Fatahi 1
  • Alireza Alipoor 2
1 Department of Engineering, Shahid Chamran University of Ahvaz, Ahvaz, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Shiraz University, Shiraz, Iran
چکیده [English]

Combustion chambers are an important part of power generation systems that affect their efficiency and environmental pollutions. To reduce the pollutions, lean premixed combustion was introduced to be used instead of traditional non-premixed flames, however, this method has more tendency to become unstable. The thermal and acoustics interactions can amplify the acoustic waves and produce noise and increase the vibration level of the liner. The continuation of large amplitude vibrations can lead to failure. Therefore, the vibration modeling of the liner is very important. In this research, the vibration of a liner in a combustion chamber is investigated. The modal parameters in the cold and hot states are extracted from the finite element model. Then, model updating is utilized to modify the finite element model of the liner based on the experimental data. The flow analysis is also performed to obtain the pressure and velocity fluctuations during the analysis time. These data are used to model the flame as an acoustic source. Then, the transient analysis is evaluated to find the response of the liner due to this source. The results show the effectiveness of the updated model to predict the modal parameters and the vibration amplitude of the liner.     
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Vibration
  • Combustion chamber
  • Fluid-Structure Interaction
  • numerical simulation
 
[1] A.K. Pozarlik, J. Kok, Fluid-structure interaction in combustion system of a gas turbine—effect of liner vibrations, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 136(9) (2014) 1-10.
[2] R. Huls, Acousto-elastic interaction in combustion chambers: PhD Thesis, University of Twente, Enschede, Netherlands, 2006.
[3] R. Huls, A. Sengissen, P. Van der Hoogt, J. Kok, T. Poinsot, A. de Boer, Vibration prediction in combustion chambers by coupling finite elements and large eddy simulations, Journal of Sound and Vibration, 304(1) (2007) 224-229.
[4] S. Donders, M. Brughmans, L. Hermans, N. Tzannetakis, The effect of spot weld failure on dynamic vehicle performance. Sound and Vibration, 39(4)  (2005) 16-25.
[5] F. Kuratani, K. Matsubara, T. Yamauchi, Finite element model for spot welds using multi-point constraints and its dynamic characteristics. International Journal of Passenger Cars-Mechanical Systems, 4 (2011) 1311-1319.
[6] F. Kuratani, M. Okuyama, T. Yamauchi, S. Washior,. Finite element modeling of spot welds for vibration analysis. Proceeding of the 5th Asian Conference on Multibody Dynamics, Kyoto, Japan, Auguest 23-26, 2010.
[7] R.D.A. Alvarez, N.S. Ferguson, B. R. Mace, A robust spot weld model for structural vibration analysis. Finite Elements in Analysis and Design, 89 (2014) 1-7.
[8] P. Lardeur, E. Lacouture, E. Blain, Spot weld modelling techniques and performances of finite element models for the vibrational behaviour of automotive structures, Proceeding of  25th the International Seminar on Modal Analysis Noise and Vibration Engineering, KU Leuven, 2000.
[9] M. Palmonella, M.I. Friswell, J.E. Mottershead, A.W. Lees, Finite element models of spot welds in structural dynamics: review and updating. Computers & structures, 83(8-9) (2005) 648-661.
 [10] F. Amoroso, A. de Fenza, G. Petrone, R. Pecora, A sensitivity analysis on the influence of the external constraints on the dynamic behaviour of a low pollutant emissions aircraft combustor-rig, Archive of Mechanical Engineering, 63(3) (2016) 435-454.
[11] M. Gholipour Feizi, V. Nourani, A. Mojtahedi, M. Barghian, Evaluating the uncertainties in the semi-rigidity of connections of the pier base to optimization of finite element model updating, Modares Mechanical Engineering, 16(12) (2017) 281-290. (in Persian)
 [12] D.M. Hamby, A review of techniques for parameter sensitivity analysis of environmental models. Journal of Environmental Monitoring and Assessment, 32(2) (1994) 135-154.
[13] D. Karaboga, B. Basturk, A powerful and efficient algorithm for numerical function optimization: artificial bee colony (ABC) algorithm, Journal of global optimization, 39(3)(2007) 459-471.
[14] M.K. Apalak, D. Karaboga, and B. Akay. The artificial bee colony algorithm in layer optimization for the maximum fundamental frequency of symmetrical laminated composite plates. Engineering Optimization, 46(3) (2014) 420-437.
 [15] D.H. Chang, S.Y. Han. Dynamic topology optimization for multiple eigenfrequencies using the artificial bee colony algorithm. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 16(8) (2015) 1817-1824.
[16] Release 18.0 Theory Guide, ANSYS Inc, 2018.
[17] M.J. Lighthill, On sound generated aerodynamically II. turbulence as a source of sound, Proceedings of the Royal Society of London A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 222 (1148) (1954) 1–2.
[18] S. Klein, On the acoustics of turbulent non-premixed flames: PhD Thesis, University of Twente, Enschede, Netherlands, 2000.
[19] D. Nowak, V. Bellucci, J. Cerny, and G. Engelbrecht, Numerical modeling of thermoacoustic oscillations in a gas turbine combustion chamber, Proceeding of the International Congress on Sound and Vibration, 2004.
[20] Haynes International, Haynes HR-120 TM, 1992.
[21] A. Pozarlik, J. B. Kok, Numerical prediction of interaction between combustion, acoustics and vibration in gas turbines, Journal of the Acoustical Society of America, 123(5) (2008) 3404-3410.