مقدمه‌ای بر روش‌های تحلیل و شبیه‌سازی جریان‌های احتراقی ۱

مقدمه‌ای بر روش‌های تحلیل و شبیه‌سازی جریان‌های احتراقی ۱

مقدمه‌ای بر روش‌های تحلیل و شبیه‌سازی جریان‌های احتراقی ۱

فرآیند احتراق در بسیاری از صنایع و بخش‌های مختلف زندگی از جمله صنایع سیمان، آهک، پالایشگاه، پتروشیمی، نفت و گاز، نیروگاه‌ها، حمل و نقل و بسیاری موارد دیگر مانند پخت و پز و بخاری ها وجود داشته و نقش اساسی را ایفا می کند.

با توجه به اهمیت این فرآیند در مصرف انرژی و سوخت و همچنین تولید آلاینده‌ها، مدل‌کردن سیستم­‌های احتراقی و بررسی عملکرد آن­ها امروزه بسیار حائز اهمیت می‌‌باشد. پیش‌بینی خواص اصلی شعله مانند سرعت، انرژی آزاد‌شده، غلظت گونه‌های اصلی واکنش و جریان‌های شکل ­گرفته در فرآیند احتراق، در بررسی و تحلیل سیستم‌های احتراقی و همچنین بهینه‌سازی آن‌ها مهم می‌باشد.

بر همین اساس شبیه‌سازی عددی این نوع جریان‌ها در تعیین شرایط بهینه کارکرد بسیار مفید و پرکاربرد است.

با پیشرفت دنیای رایانه و فناوری، سیر تحقیق و مطالعه در این زمینه نیز توسعه پیدا کرده است.

در ابتدا با انجام محاسبات ترمودینامیکی شرایط دمایی پیش‌بینی می‌شد.

در ادامه با نوشتن کدهای توسعه‌ یافته، شرایط دقیق تری از فرآیند احتراق به‌دست آمد که هم‌اکنون نیز بسیاری از این کدهای احتراقی پایه و اساس تحلیل‌های CFD ۱ است.

می‌توان از کدهای تجاری CEA ۲ و Chemkin به عنوان دو کد معتبر در این زمینه نام برد.

هم‌اکنون نیز پدیده‌های احتراقی با انجام تحلیل‌های CFD (دینامیک سیالات محاسباتی)، با استفاده از نرم‌افزارهای  شبیه‌سازی مانند Fluent، CFX، OpenFOAM و STAR-CCM+، به‌صورت دقیق قابل بررسی می‌­باشند ولی برای تخمین و محاسبه مقادیر گونه‌­های حاصل از احتراق مانند آلاینده­‌ها و گونه‌­های سمی (CO,NOx,SOx,H۲S,UCH) به مدل کاملی از سینتیک واکنش رخ داده در احتراقِ موردنظر  نیاز است. تحلیل CFD به‌دلیل پیچیده‌ بودن معادلات و وجود محدودیت­‌های محاسباتی بسیار زمان­‌ بر می‌­باشد. به‌همین دلیل روش­‌های دیگری برای اِعمال سینتیک کامل مطرح شده است، بدین‌ ترتیب که مدل­‌سازی CFD برای یک شبکه­‌بندی مناسب و با یک مدل ساده سینتیکی شامل گونه­‌های اصلی واکنش احتراق، مناطق مختلف درون محفظه احتراق مشخص می­‌شوند. سپس از مدل شبکه­‌های رآکتوری معادل (ERN ۳)  برای مدل‌کردن مناطق مختلف احتراق استفاده می­‌شود. با استفاده از این مدل قابلیت اِعمال سینتیک کامل واکنش در مناطق مختلف محفظه احتراق و بررسی پارامترهای مختلف احتراقی به‌وجود می‌­آید و همچنین بهبود و افزایش سرعت و دقت در محاسبات برای مقادیر گونه‌­ها و پیش­‌بینی عملکرد احتراق مشاهده می‌­شود.

به‌طور کلی می‌توان گفت برای انجام تحلیل کامل بر روی جریان‌های احتراقی، با توجه به نوع کاربرد، شرایط و نیاز، استفاده از هر کدام از روش‌های تحلیل و شبیه‌سازی فوق می‌تواند در کنار هم ابزاری قوی را فراهم آورد.

ادامه مطلب: مقدمه‌ای بر روش‌های تحلیل و شبیه‌سازی جریان‌های احتراقی ۲

———————————————————
[۱] Computational Fluid Dynamics
[۲] Chemical Equilibrium with Applications
[۳] Equivalent Reactor Network