توسعه روش بولتزمن شبكه اي براي شبيه‌سازي احتراق شعله نفوذي آرام متان توسط مكانيزم هاي كاهش يافته

Developing lattice Boltzmann method for simulation of reduced combustion mechanisms in laminar methane jet diffusion flames

در اين مقاله احتراق يك جت متان با استفاده از چند معادله با آهنگ واكنش محدود و توسط روش بولتزمن شبكه اي شبيه‌سازي شده است. در اين مدل از دو دسته از توابع توزيع، يك دسته براي حل معادلات پيوستگي و مومنتم و دسته ديگر براي حل معادلات گرما و اجزا شيميايي استفاده شده است. معادله بولتزمن شبكه اي براي جريان تراكم پذير با تقريب عدد ماخ پايين مدل شده و چگالي از طريق رابطه گاز كامل به دما وابسته شده است. توليد و مصرف اجزا شيميايي و گرماي واكنش ها به صورت جملات چشمه در معادلات بولتزمن شبكه اي وارد شده اند. استفاده از مكانيزم هاي كاهش يافته چند معادله اي به جاي تنها يك معادله، در نظر گرفتن اثر دما و غلظت اجزا بر خواص و آهنگ واكنش ها در هر مرحله زماني از مزيت هاي مدل توسعه داده شده است. مدل احتراقي با استفاده از شبيه سازي يك مكانيزم چهار معادله اي با شش جز شيميايي در يك شعله نفوذي جت آرام متان و مقايسه نتايج با داده هاي تجربي اعتبار سنجي شده است. نتايج نشان مي دهد مدل توسعه داده شده غلظت اجزا شيميايي مختلف و دماي شعله را با دقت مناسبي پيش بيني مي كند. اين مساله از اين نظر حايز اهميت است كه براي حل ميدان غلظت اجزا شيميايي متفاوت كه ضرايب نفوذ آنها تابعي از مكان و دما است نياز است تا زمان آسايش در معادله بولتزمن تابعي از دما و مكان ياشد. اين امر در الگوريتم هاي معمول سبب ناپايداري و واگرايي حل مي شود. براي حل اين مشكل بازه هاي زماني براي دما و هركدام از اجزا شيميايي در هر مرحله حل اصلاح مي شوند تا مشكل ناپايداري حل برطرف گردد.

In this paper the coupled lattice Boltzmann model is developed for simulation of multi-step combustion mechanism of a methane jet diffusion flame. The lattice Boltzmann scheme employs the double-distribution-function model, one distribution function for solving flow field and another for temperature and species concentration fields. The density and temperature fields are coupled through low Mach number flow field. The solution parameters such as species properties and rate of chemical reactions are adjusted in each time step according to temperature and concentration of species variations. Using combustion mechanisms instead of one step fast chemistry reaction and considering effect of temperature and species concentration on solution parameters are the main advantages of the developed model. For validation of the model, a four-step reduced mechanism with six species is used for simulation of combustion in a methane jet diffusion flame configuration. Results show that the developed model predicts the concentration of chemical species and flame temperature with good accuracy. It is important to note that the relaxation time in lattice Boltzmann equation must be a function of both temperature and space to gain these results. Variation of the relaxation time eventuate in divergence of solution in usual LB Models. To overcome this problem the time steps are adjusted according to temperature variation. Agreement between the present results and experimental data confirms that this scheme is also an efficient numerical method for more detailed combustion simulations.