تاثير غلظت اكسيژن و عدد رينولدز سوخت در ساختار شعله متان- هيدروژن تحت شرايط MILD با استفاده از روش LES

Effect of Oxygen Mass Fraction and Reynolds Number on Methane-Hydrogen Flame in MILD Regime using LES Method

در اين مقاله، از روش شبيه سازي گردابه بزرگ (LES) به منظور بررسي ساختار شعله متان- هيدروژن در شرايط MILD استفاده شده است. همچنين، اثر متغيرهاي عدد رينولدز فواره سوخت و غلظت اكسيژن در جريان اكسيدكننده به منظور مطالعه ساختار شعله بررسي شده است. بدين منظور، شبيه سازي به ازاي دو عدد رينولدز 5000 و 10000و سه درصد اكسيژن 3، 6 و 9 درصد صورت گرفته است. نتايج آزمايشگاهي انجام شده توسط دالي جهت ارزيابي دقت حل استفاده شده است. براي ارتباط بين جمله هاي اغتشاشي و احتراقي از مدل PaSR موجود در كد اپن فوم، كه به نحوي توسعه يافته مدل EDC است، و همچنين از سازوكار كامل GRI-2.11، به منظور محاسبه دقيق سينتيك شيميايي احتراق، استفاده شده است. معيارهاي مختلفي براي ارزيابي صحت نتايج به دست آمده استفاده شده كه همگي آن ها دقت حل را تاييد مي كنند. نتايج ارايه شده حاكي از اين مطلب است كه افزايش غلظت اكسيژن منجر به نازك شدن ضخامت شعله، محدودشدن نوسانات موجود در توزيع جز هاي شيميايي در ناحيه كوچك تري در اطراف نازل، كاهش خاموش شدن موضعي در ساختار شعله، محدودشدن ناحيه پيش مخلوط جزيي براي اجزاي شركت كننده در واكنش و به عبارت كامل تر پايدارترشدن شعله در ناحيه نزديك نازل مي شود. همچنين، كاهش عدد رينولدز، به دليل افزايش مدت زمان اقامت عناصر شركت كننده در واكنش، نقش موثري در تقويت شعله ايفا مي كند.

Large eddy simulation (LES) was used to investigate the H2/CH4 flame structure under MILD condition. Effects of the fuel inlet Reynolds number and the oxygen mass fraction in the oxidizer stream on the flame structure were studied. In this regard, the simulation was performed for two Reynolds numbers of 5000 and 10,000 and three oxygen mass fractions of 3, 6 and 9%. Numerical results were compared with experimental measurements of Dally. The turbulence-chemistry interaction in numerically unresolved scales was modeled using the PaSR model and the full mechanism GRI-2.11 was used to precisely represent the methane-hydrogen reactions. Accuracy of the LES simulation results was evaluated by a set of criteria indicating acceptable predictions. The results show that increasing the oxygen mass fraction in the oxidizer stream decreases the flame thickness, limits the species fluctuations to a smaller zone near the nozzle’s exit plane, decreases local extinctions in the flame structure and limits the partially premixed to a zone near the shear layer line and in summary improves the flame stability especially near the nozzle exit zone. Since decreasing the Reynolds number increases the residence time of fuel and oxidizer elements, it has a favorable effect on flame stability and decreasing its susceptibility to combustion instability.