Eksperimentalno numerična analiza tokovno reaktivnih veličin večplamenskega gorilnika : doktorska disertacija

slovenski

doktorska dela

2013

Disertacije   Gorilniki   industrijski gorilniki   mešalna frakcija   ne-predmešano zgorevanje   program ANSYS CFX   računalniška dinamika tekočin   razprševanje goriva   Swirlflame

Univerza v Mariboru, Fakulteta za strojništvo

Optimizacija zgorevalnih naprav v smislu povečanja učinkovitosti in zmanjšanjaobremenitve okolja s polutanti, je danes glavno vodilo pri raziskaviter snovanju novih projektov povezanih z zgorevanjem. To je mogoče doseči s pomočjo točnih zasnov pomembnih komponent gorilnika ter kurišča, kar dodatno zajema pojave prenosa mase in toplote. V zadnjih nekaj letih je računalniška dinamika tekočin (CFD) postala popularna metoda za uporaben pristop k pridobivanju preliminarnih informacij in napovedovanju obnašanja komercialnih zgorevalnih zasnov. Vendar so pojavi, ki potekajo v gorilnikih zelo kompleksni; recirkulacija dimnih plinov, prenos energije, turbulentna kemijska kinetika in razmerje toka-kemijskih reakcij so v primeru vrtinčnih zgorevalnih naprav še ojačeni. Z omenjenega vidika je CFD analiza vrtinčnih ne-predmešanih reaktivnih tokov ena najpomembnejših in zahtevnih področij v moderni CFD. Za primerjavo so dokumentirani eksperimentalni podatki, ki predstavljajo uporabno informacijo za kontrolo in testiranje CFD. Za popis dinamike tekočin skupaj s prenosom toplote, je v literature mogoče najti različne matematične pristope. Glavni pristop uporablja turbulentne modele zgorevanja kar omogoča uporabo statističnih lastnosti skalarnega polja. Ti pristopi omogočajo v večini primerov podrobne informacije o tokovnem polju tertemperaturi vendar so pri napovedovanju koncentracij nižjih vrst manj natančni. Za kotlovske naprave je bila že predlagana nova metoda (Faravelli etal., 2001). Ta pristop (SFIRN) temelji na originalni zasnovi hibridne metode. Tokovna ter temperaturna polja niso pod vplivom nastanka NOx. Za opis nastanka toplote v CFD modeliranju je dovolj manjše število hitrih kemijskih reakcij. Spisek oziroma skupina idealnih reaktantov je definirana na osnovi rezultatov pridobljenih z numerično simulacijo. Ti reaktanti skupaj predstavljajo število enakih celic in se rešujejo s pomočjo zelo podrobne kemijske kinetike. Podrobne eksperimentalne meritve 1SF gorilnika predstavljajo pomemben testni primer z namenom potrditve numeričnega postopka,kar je mogoče kasneje razširiti na kompleksnejše primere. Realno kurilno napravo smo preučevali z uporabo računalniške dinamike tekočin; podrobneje s programskim paketom ANSYS CFX. V nalogi smo uporabili eksperimentalno dognane robne pogoje vhodnih parametrov ter nekaj parametrov drugih avtorjev. Za numerične simulacije so bili uporabljeni turbulentni modeli, modeli zgorevanja ter sevanja. Nadalje smo primerjali rezultate različnih izbranih modelov z eksperimentalnimi ter ugotavljali primernost le teh. Cilj modeliranja je bila izbira primernih modelov za uporabo numeričnega preizkušanja novih industrijskih gorilnikov, kar smo v primerjavi z eksperimentom okarakterizirali s tokovnim in temperaturnim poljem, hkrati pa zlokalno stopnjo izgorelosti (CO). Rezultati numeričnega modeliranja so bili povsod primerjani z eksperimentalnimi meritvami. Prikazan znanstveni pristop omogoča CFD analizo tokovnih lastnosti kot tudi reaktivnega toka že v fazi načrtovanja novih zasnov gorilnikov kar omogoča hitrejši in bolj zanesljiv razvoj novega izdelka.

08.08.2023