شبیه سازی احتراق هیدروژن

تکنیک­‌های مدل سازی­ که در بالا ذکر شد برای سوخت‌­های مخلوط هیدروژن یا هیدروژن خالص نیز کارایی دارند. حتی این مدل­‌ها را میتوان با توجه به نیاز خود اصلاح کرد و مواردی را به آنها اضافه و یا از آنها کم کرد. چنین اصلاح­‌هایی میتواند شامل تعاریفی مثل متغیرهای پیشرفت واکنش و در برخی موارد برای دیفرانسیل پخش (ضریب پخش جرم و حرارت متفاوت برای گونه های مختلف) است. کاربرد موفقیت آمیز چنین مدلسازی برای احتراق هیدروژن، در شکل زیر برای مدل کابرا (Cabra) ارائه شده است که که نحوه پایداری و ماندگاری شعله در محفظه احتراق توربین­‌های گازی را بررسی میکند. سوخت و اکسید کننده درون محفظه احتراق به صورت پیش مخلوط (Premix) هستند.

مدل Cabra (سمت چپ). شبکه موزاییکی با استفاده از انسیس در منطقه مورد نظر (راست)

جت سوخت هیدروژن توسط محصولات حاصل از احتراق ۲۲۰۰ شعله هیدروژن / هوا احاطه شده است (شکل بالا سمت چپ). شبیه سازی با استفاده از مدل توربولانسی (LES) و حلگر فشار مبنا در فلوئنت انجام شده است و مقیاس­‌های زیر شبکه­‌ای با فرمول dynamic Smagorinky Lilly مدلسازی شدند. احتراق با استفاده از مدل FGM و متغیر پیشرفت (Progress Variable)، واریانس کسر مخلوط (Z) و ترم‌های چشمه‌ی متغیر پیشرفت به صورت نرخ محدود مدلسازی میشوند. ویدئوی زیر ساختار شعله هیدروژن را از نظر توزیع دما و توزیع کسر مخلوط در یک بازه زمانی مشخص نشان میدهد.

ویدئوی بالا نشان میدهد که شبکه بندی با استفاده از قابلیت مش موزاییکی توانسته است وضوح مناسبی را برای مشاهده شکل­گیری آشفتگی در لایه برشی (Shear layer) که در شکل قبل‌تر نشان داده شده است، فراهم کند. نمودار شعاعی متغیرهای مختلف و کانتور میدان حرارتی، که در شکل‌های زیر نشان داده شده است، نتایج حاصل از حل عددی توسط فلوئنت را با اندازه گیری­‌های تجربی مقایسه میکند پیشنهاد میکنیم اموزش فلوئنت را در سایت fluentcfd.ir دنبال کنید.

پروفیل های شعاعی میانگین جرمی وزنی کسر مخلوط (Mass weighted average)، گونه ها و دما برای موقعیت‌های مختلف محوری. (خطوط نشان دهنده نتایج شبیه سازی عددی است؛ نقاط نشان دهنده نتایج تجربی هستند.)

توزیع دما میانگین برای شعله هیدروژن مدل Cabra و مقایسه آن با داده های تجربی

واضح است که شبیه سازی LES-FGM توزیع کسر مخلوط، دما و گونه‌­ها را با دقت بسیار عالی و نتایجی نزدیک به داده­‌های تجربی پیش­بینی کرده است. شبیه­سازی­‌ها ضخامت جبهه شعله را نیز با دقت محاسبه کرده است. پیش­ بینی شعله در لبه پیشروی یا جبهه‌ی شعله برای پیش ­بینی کامل شعله بسیار هائز اهمیت است؛ زیرا بر اختلاط سوخت و هوای پایین دست تأثیر میگذارد. استفاده از روش شعله نفوذی درک بهتری از ماندگاری شعله (Flame anchoring) در اختیار ما قرار میدهد. همچنین با استفاده از این مدل جواب­ه‌ای حاصل شده از فلوئنت به نتایج حاصل شده از آزمایش‌­های تجربی نزدیک­تر خواهد شد.

شبیه سازی از هیدروژن برای کربن زدایی پشتیبانی می‌کند؟

انتظار میرود موتورهای توربین گازی که از هیدروژن به عنوان سوخت خود استفاده میکنند، باعث شود که کربن در بخش­‌های انرژی و هواپیمایی از بین برود. پیچیده­‌ترین چالش­های فنی در استفاده از هیدروژن در توربین­‌های گازی را میتوان با شبیه سازی و با دقت بسیار بالا رفع کرد. ثابت شده است که روش­‌هایی که برای شبیه سازی احتراق در موتورهای سنتی متعارف هستند، قادرند تا پیچیدگی­‌های ذاتی احتراق هیدروژن را نیز با دقت پیش بینی کنند. استفاده از این روش‌­های شبیه سازی برای احتراق هیدروژن، میتواند به بخش­های انرژی و هواپیمایی کمک کند تا محصولات پایدارتر و کم کربن‌­تری را با صرفه جویی در هزینه­ و زمان به بازار عرضه کنند.