مطالعه جريان واكنشي در ماده متخلخل در مقياس حفره با در نظر گرفتن اثرات اغتشاش در جريان

Pore scale study on the reacting flow in porous media including flow turbulence

اين مقاله به بررسي شبيه سازي جريان واكنشي مخلوط هوا/متان در مقياس حفره با هدف بررسي اثرات چند بعدي و توربولانس در مقياس حفره مي پردازد. ماده متخلخل در اين مطالعه به صورت آرايش شطرنجي سيلندر‌‌هاي مربعي شكل در نظر گرفته شده است. نتايج مربوط به انرژي جنبشي توربولانسي، دما، ساختار شعله، ضخامت شعله و سرعت شعله در نسبت‌‌‌هاي هم ارزي متفاوت آورده شد‌‌ه‌اند. انرژي جنبشي توربولانسي در امتداد مشعل در اثر سيلندر‌‌هاي جامد توليد شده و مقدار آن افزايش مي يابد تا اين كه يك پرش ناگهاني را در مكان شعله در اثر افزايش سرعت به دليل انبساط حرارتي ناشي از احتراق نشان مي دهد. در تحقيق حاضر نشان داده شده است كه در نسبت‌‌‌هاي هم ارزي بالا اثرات توربولانس چشم‌گير است. به دليل افزايش اثر توربولانس در نسبت‌‌‌هاي هم ارزي بالاتر روند تغييرات ضخامت شعله با نسبت هم ارزي بر خلاف جريان آرام مي باشد و با افزايش نسبت هم ارزي ضخامت شعله افزايش مي يابد. همچنين نشان داده شده است كه سرعت شعله بي-بعد و دماي اضافي در نسبت‌‌‌هاي هم ارزي پايين‌تر به دليل اتلاف حرارت كمتر از بالادست مشعل بيشتر از نسبت‌‌‌هاي هم ارزي بالاتر است. ساختار دو بعدي شعله در داخل حفره ‌‌هاي ماده متخلخل با استفاده از خطوط هم دما در اين تحقيق نشان داده شده است.

This paper presents pore scale simulation of turbulent combustion of air/methane mixture in porous media to investigate the effects of multi dimensionality and turbulence on the flame within pore scale. A porous medium consisting of a staggered arrangement of square cylinders considered here. Results of turbulent kinetic energy, temperature, flame thickness, flame structure and flame speed are presented and compared at different equivalence ratios. The turbulent kinetic energy increases along the burner because of turbulence created by the solid matrix with a sudden jump at the flame front due to increase of the velocity as a result of thermal expansion. Also, it is shown that at higher equivalence ratios, the effect of turbulence within porous burner is highly significant phenomenon. Due to higher turbulence effects in higher equivalence ratios, the flame thickness increases by increasing the equivalence ratio which is in opposite of the trend observed in laminar flow simulation. Also, it is shown that the dimensionless flame speed and excess temperature is higher at lower equivalence ratios due to lower heat loss to the cold upstream environment of burner. Two dimensional structure of flame in the pores of porous medium is shown in the present study via isotherm lines.