استخراج ضرايب نرخ واكنش‌هاي كلي چند‌مرحله‌اي احتراق سوخت‌هاي هيدروكربني متناظر با شرايط عملكردي محفظه براي پيش‌بيني آلاينده‌ها

Extraction of Rate Coefficients of Multi-step Global Reactions for Combustion of Hydrocarbon Fuels Regarding Operating Conditions for Pollutant Prediction

در اين مقاله يك روش عددي جهت استخراج ضرايب نرخ واكنش‌هاي كلي چند‌‌مرحله‌اي دلخواه براي احتراق هر سوخت هيدروكربني با هوا متناسب با شرايط عملكردي ارايه و پياده‌سازي شده است. اساس روش عددي بر اجراي هم‌زمان دو حل‌گر يكي حل‌گر ميدان احتراقي و ديگري حل‌گر بهينه‌ساز عددي استوار است. براي حل ميدان احتراقي از يك حل‌گر راكتور كاملاً مخلوط شده استفاده شده كه هر يك از سينتيك شيميايي كامل، اسكلتي يا كاهش يافته را مي‌تواند به‌عنوان معيار در نظر گيرد. انتخاب ضرايب نرخ واكنش‌هاي كلي چند‌مرحله‌اي از پيش تعريف شده به‌عنوان متغيرهاي طراحي بهينه‌ساز تكامل تدريجي و در نظر گرفتن اختلاف غلظت مواد حاصل از احتراق به‌دست‌آمده از سينتيك مبنا و مكانيزم چند‌مرحله‌اي به‌عنوان تابع هدف، مقادير بهينه ضرايب نرخ را متناظر با شرايط عملكردي دلخواه ايجاد مي‌كند. براي بررسي اعتبار و كاربرد اين روش، سه مكانيزم كلي پنج مرحله‌ي براي احتراق متان با هوا متناسب با سه فشار عملكردي 1، 6.28 و 30 اتمسفر در محدوده نسبت هم‌ارزي 0.4-1.0 جهت پيش‌بيني انتشار آلاينده‌هاي مونوكسيدنيتروژن و مونوكسيدكربن استخراج شده است. غلظت تمامي مواد حاصل از احتراق از جمله آلاينده‌هاي مونوكسيدنيتروژن و مونواكسيد‌كربن و دماي شعله به‌دست آمده از مكانيزم‌هاي پنج مرحله‌اي ارايه شده با دقت بالايي با نتايج به‌دست آمده از مكانيزم كامل جي.آر.آي-3 تطابق دارد. يك مطالعه عددي مقايسه‌اي با استفاده از كد ديناميك سيالات محاسباتي براي يك محفظه احتراق آزمايشگاهي با به‌كارگيري مدل پنج مرحله‌اي توليد شده و يك مكانيزم كلي هشت مرحله‌اي تابع فشار (پيشنهاد شده توسط نووسيلوو) در فشار عملكردي 6.28 اتمسفر، انجام شده است.

In this paper, a numerical method to extract rate coefficients of multi-step global reactions for combustion of hydrocarbon fuels with air regarding combustor operating conditions is presented and implemented. The numerical procedure is based on simultaneous interactions of two solvers including a solver for combustive field and another solver as numerical optimizer. A simple reactor solver, namely Perfectly Stirred Reactor (PSR) is employed as a solver for reactive flow, and chemical kinetics such as detailed, skeletal or reduced can be considered as benchmark mechanism. Considering rate coefficients of predefined multi-step global reactions as design variables for Differential Evolution (DE) optimizer and the difference between product concentrations obtained from benchmark mechanism and multi-step mechanism as cost function gives optimized values of rate coefficients regarding desired conditions. To confirm reliability and applicability of the present method, three different five-step models are generated for methane-air combustion under three different operating pressures (1.0, 6.28, and 30.0 atm.) and equivalence ratio ranges between 0.4-1.0 for predicting NO and CO emissions. Product concentrations such as NO and CO and flame temperature obtained from the presented five-step mechanisms are in close agreement with results obtained from the full GRI-3.0 mechanism. A comparative numerical study by means of Computational Fluid Dynamics (CFD) code has been performed for a laboratory scale combustor employing the generated five-step model and an eight-step pressure-dependent global mechanism (suggested by Novosselov) under operating pressure of 6.28 (atm.).