اثر پديده شبه جوشش و نسبت شار جرمي بر ديناميك يك شعله برشي محوري در شرايط گذر-بحراني

Influence of Pseudo-Boiling Phenomenon and the Mass Flux Ratio on the Dynamics of Transcritical Shear Flame

در مقاله حاضر اثرات مربوط به برهمكنش جت چگالي بالا اكسيژن مايع با جريان سرعت بالاي هيدروژن در حضور پديده شبه-جوشش مورد بررسي قرار گرفته است. در اثر پديده شبه-جوشش يك انبساط ناگهاني در شعله ايجاد مي‌شود كه منجر به تشكيل جريان‌هاي چرخشي مي‌شود. مدل‌هاي آشفته مختلف مورد بررسي قرار گرفته و نشان داده شده است كه انتخاب يك مدل آشفتگي مناسب در جريان‌هاي واكنشي گذر-بحراني بسيار حياتي‌تر از شعله‌هاي زير بحراني و فرا-بحراني مي‌باشد. همچنين بر خلاف انتظار، هسته چگال اكسيژن مايع در جريان غير واكنشي سريعتر از جريان واكنشي ناپديد مي‌شود كه اين پديده ناشي از ضعيف شدن قدرت اختلاط در جريان واكنشي به دليل انبساط شديد ناشي از پديده شبه جوشش مي‌باشد. اثرات نسبت شار جرمي نيز مورد بررسي قرار گرفت و مشاهده شد كه با افزايش نسبت شار جرمي از 5 به محدوده 24، يك جريان چرخشي قوي در پيشاني شعله شكل مي‌گيرد و شعله به شكل حبابي در مي‌آيد كه مشابه شعله متان-اكسيژن مايع مي‌باشد. افزايش نسبت شار جرمي منجر به افزايش قدرت لايه برشي شده و در نتيجه با افزايش اختلاط، پديده شبه جوشش با نرخ و سرعت حجم بيشتري رخ مي‌دهد. در نهايت افزايش حجم تبديل اكسيژن از شرايط مايع-مانند به گاز-مانند منجر به تشكيل يك جريان گردابي قدرتمند در پيشاني شعله مي‌شود.

In the present paper, the effects of the interaction of a high-density liquid oxygen jet with high-velocity hydrogen in the presence of a pseudo-boiling phenomenon are investigated. The pseudo-boiling phenomenon causes a sudden expansion in the flame, which leads to the formation of a recirculation zone. Different turbulence models have been investigated and it has been shown that the selection of a suitable turbulence model for the trans-critical reacting flow is much more important than subcritical and supercritical flames. Also, contrary to expectations, the dense core of liquid oxygen disappears faster in the non-reacting case than the reacting flow, which is due to the displacement of the mixing layer in the reacting flow due to the intense expansion (because of the pseudo-boiling phenomenon). The effects of mass flux ratio were also investigated and it was observed that by increasing the mass flux ratio from 5 to 24, a strong recirculation is formed at the flame front and the flame becomes like a bubble, similar to LOX-GCH4 flame. Increasing the mass flux ratio leads to an increase in the strength of the shear layer that causes the pseudo-boiling phenomenon to occur at a higher rate. Finally, increasing conversion of the liquid-like oxygen to gas-like conditions leads to the formation of a strong vortex in the flame front.