مطالعه عددي تاثير شرايط حرارتي ديواره و ساختار اكسنده بر ساختار شعله و رژيم احتراقي در كوره احتراق غيرپيش‌آميخته

Numerical study of the effect of wall thermal conditions and oxidant structure on the flame structure and combustion regime in non-premixed combustion furnace

هدف از مطالعه حاضر بررسي تاثير شرايط حرارتي ديواره و تركيب اكسنده روي ساختار شعله و محدوده تشكيل رژيم‌هاي احتراقي معمولي، دما بالا و بدون شعله است. بدين منظور كوره احتراق غيرپيش‌آميخته دانشگاه ليسبون با استفاده از نرم افزار متن‌باز اپن‌فوم و همچنين محاسبات شيميايي به كمك حلگر شعله نفوذي جريان متقابل بررسي شده‌اند. در مطالعه عددي از مدل‌هاي آشفتگي k-ε استاندارد، احتراقي مفهوم اتلاف گردابه اصلاح شده و تشعشعي DO همراه با ضرايب جذب و گسيل جسم خاكستري در شش طول باند مختلف استفاده شده است. مطابق با نتايج، تغيير تركيب اكسنده و شرايط حرارتي ديواره، مسيرهاي واكنشي را تغيير مي‌دهد. جايگزيني CO2 با N2 درون اكسنده و تلفات حرارتي سبب مي‌شود تا بيشينه راديكال هيدروكسيل كاهش يافته و با افزايش فاصله محوري آغاز واكنش‌هاي شيميايي، تاخير در اشتعال افزايش يابد. عامل اصلي تغيير ساختار شعله با جايگزيني CO2 با N2 در رژيم‌هاي معمولي و بدون شعله همراه با اتلاف حرارتي به­ترتيب اثرات فيزيكي از طريق واكنش‌هاي O+HO2⇌OH+O2، O+CH4⇌OH+CH3 و 2OH⇌O+H2O و اثرات شيميايي به وسيله واكنش‌هاي H+O2⇌O+OH و H+OH+M⇌H2O+M اند. در رژيم احتراق دما بالا سهم اثرات فيزيكي و شيميايي روي ساختار شعله تقريبا برابر بوده و واكنش‌هاي O+H+M⇌OH+M، OH+CO⇌H+CO2 و OH+HO2⇌O2+H2O عامل كاهش هيدروكسيل اند.

The aim of this study is to investigate the effect of wall thermal conditions and oxidant composition on the flame structure and map of combustion regimes. For this purpose, non-premixed combustion furnace of the Lisbon University has been investigated using the open source OpenFoam software as well as chemical calculations with the help of counter-flow diffusion flame solver. In numerical study, standard k-ε turbulence model, modified EDC combustion model, and discrete phase radiation model with the calculation of absorption and emission coefficients at six different wavelengths have been used. The results of simulations and kinetic calculations show that the change in oxidant composition and wall thermal conditions leads to changes in reaction pathways. Replacement of CO2 with N2 in the oxidant and presence of heat losses lead to fundamental changes in flame structure. The presence of wall heat loss, especially in conventional and flameless combustion regimes, leads to fundamental changes in the reaction pathways and alters flame structure, while the main contribution to the changes of flame structure is different physical and chemical properties of CO2 in comparison with N2 at conventional and flameless regimes, respectively. In the high temperature combustion regime, the contributions of physical and chemical effects are almost equal.