مطالعه عددي ساختار و پايداري احتراق متان-هوا و متان-اكسيژن در يك شعله لوله‌اي غير پيش‌آميخته و مغشوش

A numerical study on the flame structure and stability of non-premixed methane-air and methane-oxygen turbulent tubular flame

در دهه اخير، شعله‌هاي لوله‌اي به دليل هندسه خاص، مورد توجه قرار گرفته‌اند. مزيت بزرگ شعله‌هاي لوله‌اي نسبت به ساير شعله‌ها، توزيع يكنواخت دما است. در نتيجه تشكيل نوسانات حرارتي در محفظه احتراق كاهش مي‌يابد. در اين مقاله يك شعله لوله‌اي غير پيش‌آميخته تحت شرايط عملكردي مختلف به صورت عددي شبيه‌سازي شده است. براي شبيه‌سازي عددي حلگري در نرم‌افزار متن باز اپنفوم توسعه داده شده و نتايج عددي به دست آمده با داده‌هاي تجربي موجود مقايسه شده است. حل عددي و داده‌هاي تجربي از مطابقت خوبي برخوردار است. همچنين، توزيع دما و غلظت گونه‌هاي مهم احتراق در ميانه محفظه احتراق به كمك دو سينتيك يك مرحله‌اي و DRM22 مقايسه شده و پايداري شعله در شرايط عملكردي مختلف مورد بررسي قرار گرفته است. نتايج نشان مي‌دهد كه زماني كه احتراق در حضور هوا انجام پذيرد، با افزايش كسر مولي اكسيژن، ناحيه پايداري شعله باريك شده و شعله در نسبت‌هاي هم‌ارزي نزديك به حد خاموشي شعله، به صورت پايدار تشكيل مي‌شود. اگر از اكسيژن خالص به عنوان اكسيدكننده استفاده شود، شعله در نسبت‌هاي هم‌ارزي بين 0.1 تا 0.2 پايدار مي‌شود و دماي شعله بسيار افزايش مي‌يابد. براي كنترل دماي شعله، دي‌اكسيدكربن از محصولات خروجي به اكسيدكننده اضافه مي‌شود. در ادامه اثرات اضافه كردن دي‌اكسيدكربن بر محدوده پايداري شعله مورد بررسي قرار گرفت و مشخص شد كه با كاهش كسر مولي اكسيژن، محدوده پايداري شعله افزايش مي‌يابد.

Recently, tubular flames have been considered due to their advantages in geometry of the flame. The major importance of tubular flame is its uniform temperature distribution. Therefore, it may reduce thermal fluctuations along the combustion chamber. In this paper, a non-premixed tubular flame is simulated numerically under various operational conditions. A solver is developed in openFOAM and numerical results are validated against the experimental measurements. Also, temperature distribution and concentration of major species of the flame in the middle of the burner are investigated and compared using global, two-step and DRM22 as chemical kinetics. In addition, stability of the flame in air presence as oxidizer has been studied. Results show that by increasing oxygen mole fraction in oxidizer, the equivalence ratio of the steady tubular flame region decreases and the flame will be established uniformly in equivalence ratio near the extinction limit. If pure oxygen is used as oxidizer, flame temperature will increase considerably and tubular flame can be stable for equivalence ratio between 0.1 and 0.2. Thereupon carbon dioxide from the flue gases is added to the oxidizer to control the flame temperature changes. Establishment of steady tubular flame in presence of carbon dioxide is simulated too. Results show that by decreasing oxygen mole fraction, the equivalence ratio of the steady tubular flame region increases and the stability zone becomes wider.