مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

استخراج ضرایب نرخ واکنش های کلی چندمرحله ای احتراق سوخت های هیدروکربنی متناظر با شرایط عملکردی محفظه برای پیش بینی آلاینده ها

نویسندگان
1 دانشگاه صنعتی شریف
2 عضو هیات علمی دانشگاه صنعتی شریف- دانشکده مهندسی هوافضا
چکیده
در این مقاله یک روش عددی جهت استخراج ضرایب نرخ واکنش‌های کلی چند‌مرحله‌ای دلخواه برای احتراق هر سوخت هیدروکربنی با هوا متناسب با شرایط عملکردی ارائه و پیاده‌سازی شده است. اساس روش عددی بر اجرای همزمان دو حل‌گر یکی حل‌گر میدان احتراقی و دیگری حل‌گر بهینه‌ساز عددی استوار است. برای حل میدان احتراقی از یک حل‌گر راکتور کاملاً مخلوط شده استفاده شده که هر یک از سینتیک‌ شیمیایی کامل ، اسکلتی یا کاهش یافته را می‌تواند به‌عنوان معیار در نظر گیرد. انتخاب ضرایب نرخ واکنش‌های کلی چند‌مرحله‌ای از قبل تعریف شده به‌عنوان متغیرهای طراحی بهینه‌ساز تکامل تدریجی و در نظر گرفتن اختلاف غلظت مواد حاصل از احتراق به‌دست آمده از سینتیک مبنا و مکانیزم چند‌مرحله‌ای به‌عنوان تابع هدف ، مقادیر بهینه ضرایب نرخ را متناظر با شرایط عملکردی دلخواه ایجاد می‌کند. برای بررسی اعتبار و کاربرد این روش، سه مکانیزم کلی پنج مرحله‌ای برای احتراق متان با هوا متناسب با سه فشار عملکردی 1، 6.28 و 30 اتمسفر در محدوده نسبت هم‌ارزی 0.4-1.0 جهت پیش‌بینی انتشار آلاینده‌های مونوکسید‌نیتروژن و مونوکسید‌کربن استخراج شده است. غلظت تمامی مواد حاصل از احتراق از جمله آلاینده‌های مونوکسید‌نیتروژن و مونواکسید‌کربن و دمای شعله به‌دست آمده از مکانیزم‌های پنج مرحله‌ای ارائه شده با دقت بالایی با نتایج به‌دست آمده از مکانیزم کامل جی‌آر‌آی-3 تطابق دارد. یک مطالعه عددی مقایسه‌ای با استفاده از کد دینامیک سیالات محاسباتی برای یک محفظه احتراق آزمایشگاهی با به‌کارگیری مدل پنج‌مرحله‌ای تولید شده و یک مکانیزم کلی هشت-مرحله‌ای تابع فشار (پیشنهاد شده توسط نووسیلوو) در فشار عملکردی 6.28 اتمسفر، انجام شده است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

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

نویسندگان English

Alireza Shakeri 1
Karim Mazaheri 2
1 Sharif University of Technology
چکیده English

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 is generated for methane-air combustion under three different operating pressure (1.0, 6.28, and 30.0 atm.) and equivalence ratio ranged 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 closely in 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.).

کلیدواژه‌ها English

Five step global mechanisms
Differential evolution optimizer
Perfectly stirred reactor
Computational Fluid Dynamics
Full GRI.3 mechanism