شماره مدرك
21286
شماره راهنما
18224
پديد آورنده
منصوري، سجاد
عنوان
بررسي عددي ناپايداريهاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق در مخلوطهاي متان و هيدروژن با استفاده از LES-FGM
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
گرايش تحصيلي
تبديل انرژي
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1404
صفحه شمار
173 ص
توصيفگر ها
ناپايداريهاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق , احتراق رقيق متان و هيدروژن , تغيير مود ناپايداري احتراق , هسته گردابه تقديمي , شبيهسازي گردابه بزرگ واكنشي , روش منيفولد بدست آمده از فليملت
تاريخ ورود اطلاعات
1405/07/13
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مهندسي مكانيك
دانشكده
مهندسي مكانيك
تاريخ ويرايش اطلاعات
1405/07/13
كد ايرانداك
23255369
چكيده فارسي
ناپايداريهاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق، همچنان به عنوان يكي از چالشبرانگيزترين مسائل در طراحي و بهرهبرداري سامانههاي احتراقي رقيق و داراي آلايندگي پايين به شمار ميرود. جفتشدگي غيرخطي نوسانهاي فشار و نرخ آزادسازي گرما، انعطافپذيري عملياتي و شرايط بهرهبرداري تجهيز را به شدت محدود نموده و انواع آسيبها و خستگيهاي سازهاي را به محفظه احتراق تحميل ميكند. عليرغم پژوهشهاي گسترده پيشين در زمينه پاسخ اجباري شعلههاي پيشآميخته، مكانيزمهاي حاكم بر آغاز، رشد و تبديل به يك نوسان ميرا شده، تشديد شده و يا چرخه-محدود در پاسخ خودتحريك شعله نيمهپيشآميخته بسيار رقيق همچنان به طور كامل شناخته نشده است. اين پژوهش، يك مطالعه عددي جامع و پرجزئيات از ناپايداريهاي ترموآكوستيك خودتحريك احتراق در شعلههاي نيمهپيشآميخته پايدارشده با چرخش انجام شده با شبيهسازي گردابه بزرگ واكنشي (LES) و مدلسازي احتراقي پيشرفته منيفولد به دست آمده از فليملت (FGM) مبتني بر مكانيزمهاي شيميايي GRI 3.0 و UCSD 2016 ارائه ميدهد و جفتشدگي دقيق ميان ساختارهاي منسجم آشفتگي، ديناميك شعله و بازخوردهاي آكوستيكي را در شرايط عملياتي رقيق و بسيار رقيق مورد مطالعه قرار ميدهد. مطالعه عددي انجام شده بر پايه يك شبكه عددي بسيار دقيق و داراي 70 ميليون سلول محاسباتي، پايگاه داده تابع چگالي احتمال مشترك با تفكيك بسيار بالاي شرايط مختلف واكنشي داراي توزيعهاي از پيش فرضشده بتا و گاوسي، شرايط مرزي غيربازتاب كننده و انتقال حرارت مزدوج از مرز ديوارهها با ناحيه تخليه آكوستيك استوار است. در اين پژوهش، اهداف كلي تبيين مكانيزمهاي ناپايداري، بررسي اثر اضافه نمودن هيدروژن بر توپولوژي شعله، آشكارسازي مود نوساني و مطالعه تكامل فازي چرخه-محدود ناپايداري دنبال گرديد. در ابتدا، شعلههاي متان در نسبتهاي همارزي 7/0 و 55/0 با عدد رينولدز ورودي به محفظه احتراق ثابت 10,000 مطالعه شد و نتايج عددي به دست آمده، تطابق بسيار خوبي با نتايج آزمايشگاهي گزارش شده داشتند؛ به طوري كه شبيهسازي گردابه بزرگ واكنشي، دامنه و فركانس نوسانهاي جفتشده فشار و نرخ آزادسازي گرما با دقت بسيار بالايي محاسبه نمود. اعتبارسنجي جامع صورت گرفته به وسيله مقايسه محتواي فركانسي نوسانهاي عددي و نوسانهاي تجربي گزارش شده از سريهاي زماني فشار و نورافشاني شيميايي راديكال هيدروكسيل OH* انجام شده است و بالاترين ميزان خطاي 10% و 28% به ترتيب در پيشبيني فركانس (117 هرتز عددي در مقايسه 131 هرتز تجربي) و دامنه نوسان (7/4 پاسكال عددي در مقايسه 6/6 پاسكال تجربي) مشاهده شد. نتايج مربوط به احتراق متان خالص حاكي از تغيير مود ناپايداري از يك نوسان فركانسبالاي كمدامنه (حدود 117 هرتز / 7/4 پاسكال در LES–FGM و 131 هرتز / 6/6 پاسكال در آزمايش) به يك نوسان فركانسپايين دامنهبالا (حدود 87 هرتز / 51 پاسكال در LES–FGM و 91 هرتز / 61 پاسكال در آزمايش) بود. بررسي تكامل فازي ميدانهاي اين دو فرايند احتراقي نشان ميدهد كه نوسانهاي موضعي نسبت همارزي، برهمكنش گردابه و شعله در ناحيه اختلاط، تغيير در فعاليت هسته گردابه تقديمي و هسته گردابه مارپيچي به عنوان محركهاي اصلي رشد ناپايداري عمل مينمايند. در قسمت دوم پژوهش، تحليل عددي بر مخلوطهاي متان و هيدروژن در درصدهاي مولي 10% و 25% متمركز شده و تأثير اضافه نمودن هيدروژن به عنوان يكي از اصليترين راهكارهاي دستيبابي به احتراق سبز و مديريت ناپايداريهاي ترموآكوستيكي از طريق افزايش واكنش پذيري، تسريع پيشروي شعله و گشترش محوده اشتعال پذيري مورد مطالعه قرار ميگيرد. نتايج عددي نشان ميدهند كه اضافه نمودن هيدروژن به طور چشمگيري توپولوژي شعله و مكانيزم لنگراندازي آن را تغيير ميدهد؛ به گونهاي كه شعلهاي فشردهتر، داراي چينخوردگي بيشتر و ناحيه واكنشي نازكتر مشاهده ميشود.
چكيده انگليسي
The modeling framework aims to capture the delicate coupling between turbulent flow structures, flame dynamics, and acoustic feedback mechanisms under ultra-lean conditions representative of modern gas turbine operation. The study addresses two interconnected research objectives: (1) to elaborate on the fundamental instability mechanisms in pure methane flames at ultra-lean equivalence ratios, and (2) to quantify the impact of hydrogen enrichment on flame topology, mode structure, and instability growth behavior in partially premixed CH₄/H₂ mixtures. The first phase focuses on pure methane flames at global equivalence ratios of Φ = 0.7 and Φ = 0.55, replicating the experimental configurations reported in the experimental results. These cases represent the ultra-lean operational envelope in which self-excited oscillations spontaneously emerge from the inherent coupling between hydrodynamic and acoustic modes. The simulations employ a high-resolution computational grid of approximately 70 million cells and utilize the compressible LES solver with a second-order implicit time integration and non-reflective boundary conditions at the inlet and outlet to prevent artificial reflections. The FGM approach, based on detailed GRI-3.0 and UCSD 2016 chemistry and a β-distributed mixture fraction manifold, allows accurate reconstruction of species source terms and heat-release rate with manageable computational overhead. Detailed validation is performed against experimental pressure spectra, OH* chemiluminescence, and flow field measurements. The simulations accurately reproduce the dominant instability frequencies, mode amplitudes, and phase relationships between pressure and heat-release fluctuations, confirming the predictive fidelity of the employed numerical framework. Detailed modal analysis reveals two distinct self-excited instability modes, whose competition depends strongly on the equivalence ratio and flow configuration. At Φ = 0.7, a dominant high-frequency low-amplitude mode (~117 Hz / 4.7 Pa from LES-FGM, 131 Hz / 6.6 Pa from Experiment) associated with longitudinal acoustic excitation is observed, whereas at Φ = 0.55, a completely new oscillation trend with high-frequency low-amplitude mode characteristics (~87 Hz / 51 Pa from LES-FGM, 91 Hz / 60.8 Pa from Experiment) emerge due to intensified coupling between the weakened precessing vortex core (PVC) and the flame front. The results show that local equivalence ratio fluctuations, induced by vortex–flame interaction in the mixing zone, act as a critical driver for instability growth, modulating the unsteady heat-release rate in phase with pressure oscillations in accordance with the Rayleigh criterion. The second phase extends the analysis to hydrogen-enriched methane flames at a fixed global equivalence ratio of Φ = 0.7, with hydrogen volume fractions studied for 10% and 25%. Hydrogen addition is introduced as a practical pathway toward carbon-neutral combustion, offering enhanced reactivity, faster flame propagation, and broader lean stability limits. However, these same properties can worsen thermoacoustic instabilities if not carefully managed. The simulations reveal that hydrogen enrichment significantly alters the flame topology and anchoring mechanism, promoting more compact, wrinkled flame structures and shifting the primary reaction zone closer to the swirler exit.
استاد راهنما
احمدرضا پيشه وراصفهاني , محسن دوازده امامي
استاد داور
محسن ثقفيان , حسين بلاغي اينالو