بررسي پارامترهاي هندسي مشعل‌هاي مخلوط سر نازل از ديدگاه اگزرژي با استفاده از تكنيك تاگوچي

Investigating the geometrical parameters of nozzle-mix burners from the combustion exergy points of view using Taguchi method

شاخه‌اي كردن نازل‌ها، زاويه پاشش سوخت با مسير محوري هوا و قطر نازل مي‌توانند در اختلاط و عملكرد احتراقي مشعل‌هاي مخلوط سرنازل موثر باشند. در اين تحقيق، تركيب شبيه‌سازي عددي و روش تاگوچي به عنوان يك ابزار تحقيقاتي موثر براي بررسي تاثير تركيبي اين پارامترها بر نرخ بازگشت‌ناپذيري احتراق مشعل‌هاي مخلوط سرنازل مورد استفاده قرار گرفته است. در ابتدا فرايند احتراق در يك مشعل مخلوط سرنازل با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي شبيه‌سازي گرديد. مجموعه معادلات حاكم شامل پيوستگي، اندازه حركت و انرژي به همراه واكنش‌هاي شيميايي احتراق توسط نرم افزار فلوينت حل شده است. جهت شبيه‌سازي جريان مغشوش از مدل k-? استاندارد و تقابل واكنش‌هاي شيميايي و آشفتگي از مدل EDC استفاده شده است. سپس مدل توسعه ‌يافته مذكور در شرايط آزمايشي بررسي و اعتبارسنجي گرديد. در مرحله بعد، با كمك نرم‏افزار ميني‏تب، تحليل تاگوچي جهت بررسي اثر هر يك از پارامترها، اهميت آن‏ها در نرخ‏ بازگشت‏ناپذيري و تعيين مقادير بهينه آن‌ها صورت پذيرفت. در تحليل تاگوچي، از يك آرايه متعامد L9(33) با هدف كمينه‏سازي نرخ بازگشت‏ناپذيري استفاده شد. نتايج اين تحقيق نشان داد كه زاويه پاشش سوخت، تعداد شاخه‌ها و قطر نازل به ترتيب بيشترين اثر را در نرخ بازگشت‌ناپذيري دارند. همچنين طراحي سرمشعل با ويژگي‌هاي چهار شاخه، زاويه پاشش سوخت 45 درجه با جريان محوري هوا و قطر نازل چهار ميلي‌متر براي محفظه احتراق مورد نظر از ديدگاه نرخ بازگشت‌ناپذيري بهينه مي‌باشد. نرخ بازگشت‏ ناپذيري متناظر با اين حالت بهينه 88/45 درصد است.

Nozzles branching, fuel injection angle and nozzle diameter can affect the mixing process and combustion performance of nozzle-mix burners. In the current work, CFD approach and Taguchi method are employed to investigate the effects of these parameters on the irreversibility of combustion process. Combustion in nozzle-mix burner is first simulated by use of CFD method. The governing equations, including continuity, momentum, energy and chemical reactions are solved numerically by use of FLUENT. Standard k-? and EDC models are used for modeling turbulence and interaction between chemical reactions and turbulence, respectively. Then, the developed model is experimentally investigated and numerical method is validated. Using the Taguchi method, the effects of each parameter, their priority and optimum values are determined by use of Minitab. A L9(33) orthogonal Taguchi array is used with the analysis aim of minimizing irreversibility. Results show that injection angle, number of branches and nozzle diameter have the most influence on the combustion irreversibility, respectively. The optimum configuration of the nozzle-mix burner is determined to have a 45? injection angle, 4 branches and 4mm nozzle diameter. The corresponding irreversibly to this optimum case is 45.88%.