چکیده پایان نامه 

پدیده گذر احتراق به انفجار DDT به منظور افزایش ایمنی تاسیسات و نیـز کاربردهـاي جدیـد آنمانند موتورهاي پالسی انفجاري همواره مورد توجه بوده است .

یکی از عوامل کاهش طول پیش از انفجار به کار بردن صفحات ارفیس در بخش ابتدایی لوله است. 

در این پایان نامه اثر صفحات ارفیس بر طول پیش از انفجار به صورت عددي بررسی شده است.اثـرنسبت انسداد (که به صورت نسبت مساحت سطح محدود شده به مساحت سـطح مقطـع لولـه تعریـفمی شود) و فاصله بین صفحات ارفیس بر طول پیش از انفجار بررسی شده است.

معادلات حاکم بر جریان محترق آشفته در مختصات دو بعدي (با تقارن محوري ) براي لوله اي بـهطول m3 و قطر داخلی cm10 حل شده است . دماي اولیه K300 و فشار اولیه bar1  می باشد.

مخلوط مورد آزمایش متان، اکسیژن و نیتروژن (با ترکیب 25 درصد متان ،50 درصد اکسیژن و

25 درصد نیتروژن) است. نسبت انسداد صفحات ارفیس 40%، 60% و 70%  با فاصلهي بین صفحات اورفیس cm ،2cm 4 وcm 6 وcm8 در نظر گرفته شده است. براي تحلیل واکنش هاي شیمیایی از مکانیزمی با 21گونه و 84 واکنش رفت وبرگشتی استفاده شده است.

 

نتایج نشان می دهد :

  • تعداد صفحات ارفیس بیشتر در واحد طول باعث افزایش میزان آشفتگی شده و سطح شعله سریع تر رشد کرده و بنابر این سرعت شعله سریعتر افزایش می یابد
  • اگر فاصله ي بین صفحات ارفیس به اندازه ي کافی زیاد باشد،دیواره ي ماخ به آسانی تشکیل شده و DDT راحت تر اتفاق می افتد
  • وجود صفحات ارفیس با نسبت انسداد کوچک یا متوسط باعث افزایش آشفتگی شده و طول پیش از انفجار را کاهش می دهد
  • صفحات ارفیس با نسبت انسداد بالا مانع از شتاب گیري مناسب شعله شده و طول پیش از انفجار را افزایش می دهند.

واژه هاي کلیدي:گذر از احتراق به انفجار – لوله ي انفجاري – محتراق آشفته –  صفحات ارفیس

  • فصل 1 : طرح مسئله ي تحقیق
  3   1-2. بیان مسئله تحقیق 
  3   1-3. اهداف تحقیق 
  3   1-4. سوالات با فرضیه هاي تخصصی 
  4   1-5. ضرورت و اهمیت تحقیق 
  5 فصل 2 : شناسایی فرایند گذر از احتراق به انفجار و تاریخچه ي آن 
  6   2-1.مقدمه 
  7   2-2.شناسایی پدیده DDT 
  7       2-2-1. مطالعات بنیادي در زمینه گذر از احتراق به انفجار (DDT)   
  12       2-2-2. عوامل تاثیر گذار بر پدیده گذر احتراق آشفته به انفجار 
  16       2-2-3. مراحل پدیده ي گذر احتراق به انفجار 
  18   2-3. شتاب گیري شعله در لوله هاي صاف 
  18       2-3-1. فرایند شتاب گیري شعله در لوله هاي صاف 
  23       2-3-2. طول پیش از انفجار 
  24   2-4.شتاب گیري شعله در لوله هاي با مانع 
  24       2-4-1. فرایند شتاب گیري شعله در لوله هاي با مانع 
  28       2-4-2. مشخصات رژیم هاي پخش شعله 
  32   2-5. آغاز انفجار 
  32       2-5-1. روش هاي مختلف آغاز پدیده ي انفجار 
  34       2-5-2. معیار آغاز انفجار در لوله هاي صاف 
  36       2-5-3. معیار آغاز انفجار در کانامهاي با مانع 
  39   2-6. شرایط لازم براي وقوع DDT 
  41 فصل 3 : مدل سازي مسئله 

1-1. مقدمه                                                                                                              2

 

  42   3-1. مقدمه 
  43   3-2. مدل کردن مسئله 

3-2-1. معرفی نرم افزار گمبیت                                                                              43

                                                                        فهرست

  45       3-2-2. معرفی نرم افزار فلوئنت 
  50            3- 2- 2- 1. تنظیم پارامترهاي لازم در فلوئنت
  50
  1. 1. حل کننده یک دقته و حل کننده دو دقته
  51
  1. 2. خواندن فایل هاي مش
  52
  1. 3. بررسی شبکه و نمایش آن
  53
  1. 4. حل کننده و فرمول بندي
  55
  1. 5. فعال کردن معادله انرژي
  55
  1. 6. تعیین آرام با مغشوش یا غیر لزج بودن
  57
  1. 7. وارد کردن مکانیزم حل مساله
  57
  1. 8. تعیین رابطه بین آشفتگی و واکنش هاي شیمیایی 
  58
  1. 9. تعیین خواص فیزیکی مواد
  59
  1. 10. تعیین شرایط عملکردي
  60
  1. 11. تعیین شرایط مرزي
  61           3-2-2-2. تحلیل و حل مسئله 
  62           3-2-2-3. مقدار دهی اولیه به حل 
  62
  1. 1. مقداردهی اولیه در کل میدان جریان
  63
  1. 2. مقداردهی وصله اي در سلول هاي انتخاب شده
  67           3-2-2-4. ذخیره سازي نتایج 
  68           3-2-2-5. تعیین پارامترهاي وابسته به زمان و شروع محاسبات 
  70 فصل 4 : معادلات حاکم 
  71  4- 1. مقدمه 
  72  4- 2. معادلات حاکم بر جریان 
  72      4- 2- 1. معادلات دیفرانسیل حاکم 
  73
  1. 1. معادله ي پیوستگی   
  73
  1. 2. معادله ي بقاي اندازه حرکت
  73
  1. 3. معادله ي بقاي انرژي
  73
  1. 4. معادله حالت
  73
  1. 5. معادله ي بقاي گونه ها
  77
  1. 6. معادلات اغتشاش

      

4- 3. الگوریتم روش عددي                                                                                         83

4- 4. شرایط مرزي ، شرایط اولیه و بررسی صحت نتایج                                                     85

  88 فصل 5 : بهینه سازي و نتایج حاصل از آن 
  89  5- 1. مقدمه 

 

  90  5-2. مشخصات فیزیکی لوله ي مدل شده 
  91 5- 3. مکانیزم گسترش شعله وDDT   

منابع                                                                                                                  108

 

فهرست جدول ها 

     عنوان     صفحه

جدول 21: نحوه ي ارتباط بین اندازه ي هندسه مشخصه ي L، با اندازه ي سلول انفجاري           38

جدول 31: مکانیزم مربوط به احتراق متان- اکسیژن- نیتروژن  47

جدول 41: ثابت هاي موجود در مدل k استاندارد  81  جدول 42: ثابت هاي موجود در مدلRNG   81  

شکل ها 

  عنوان   صفحه

شکل 21 : نمونه اي از مارپیچ شلکین

شکل22: تصویري از فرایند انفجار در انفجار (explosion in the explosion) در مخلوط

هیدروژن – اکسیژن که با استفاده از روش عکسبرداري شیلرین گرفته شده است 

شکل23: تصویري از فرایند انفجار در انفجار در مخلوط هیدروژن – اکسیژن که با استفاده از روش عکسبرداري شلیرن گرفته شده است فصله ي زمانی بین قاب ها5µs و فاصله ي بین علائم نشان داده شده در پایین ترین شکل 5 cm می باشد 

شکل24: اثر نوع سوخت بر زمان وقوع DDT در شرایط یکسان

شکل25: اثر نسبت هم ارزي بر زمان وقوع DDT

شکل26:تاثیر قطر لوله و در صد سوخت موجود در هوا بر طول پیش از انفجار

شکل27: زمان وقوع DDT در مخلوط هیدروژن- اکسیژن در فشار اولیه 100 کیلو پاسکال

شکل28: زمان وقوع DDT در مخلوط هیدروژن- اکسیژن در فشار اولیه 5/62 کیلوپاسکال 

شکل29: شماتیکی از فرآیند پیچیده DDT

شکل210: مراحلی از ایجاد فرایند DDT

شکل211: تصویري از مراحل سوختن،گذر به انفجار و انتشار موج انفجار                                 17

شکل212: عکس هاي شلرین از مراحل اولیه ي پخش شعله در ترکیبات مختلف ازH2

                 air

شکل213: عکسبرداري سریع از پدیده DDT ،دزصد انسداد 84% و هیدروژن 35%

شکل214: شماتیک گسترش لایه ي مرزي در جلوي یک شعله ي شتاب دار. منحنی هاي

V(x) نشان دهنده ي توزیع سرعت جریان در جلوي شعله می باشند; SW نشان دهنده ي

موج ضربه اي می باشد;1.b لایه ي مرزي می باشد; Δ نشان دهنده ي ضخامت لایه ي

مرزي در محل شعله می باشد; قسمت d نشان دهنده ي جبهه ي شعله و لایه ي مرزي در

سه لحظه ي متفاوت می باشد; منحنی Δ( x) نشان دهنده ي ضخامت لایه ي مرزي در

جلوي شعله به عنوات تابعی از مکان می باشد. 

شکل215: عکس هاي پیاپی(فاصله ي زمانی بین عکس ها ms 0.1 می باشد)که نشان

دهنده ي نحوه ي رشد لایه ي مرزي در جلوي یک شعله ي شتابدار می باشد.شعله از چپ

به راست در حرکت می باشد.سرعت در نوك شعلهm/s 320 می باشد.لایه هاي مرزي در

دیواره ي بالایی با رنگ تیره و در دیواره ي پایینی با رنگ روشن نشان داده شده است.زبري

دیواره mm0.1 می باشد.مخلوط مورد آزمایش،مخلوط استوکیومتري − با فشار اولیه

ي 0.6 بار می باشد 

فهرست شکل ها 

عنوان                                                                                                       صفحه

25 شکل216: فرایند پخش شعله در داخل یک لوله ي با مانع با استفاده از عکسبرداري شلرین ،درصد انسداد 50% ، حد فاصل بین موانع 2تا 7 ،فاصله زمانی بین عکس ها ms 0.1 می باشد 
26 شکل217: فرایند پخش شعله در داخل یک لوله ي با مانع با استفاده از عکسبرداري شلرین ،درصد انسداد 67% ، حد فاصل بین موانع 2 تا 7 ،فاصله زمانی بین عکس ها ms 0.67 می باشد 
  27 شکل218: درصد انسداد 50  ، ابعاد داخلی کانال             5.44 ×        6.7 
29 شکل219: نحوه ي وقوع احتراق آرام در ترکیب  − 10%  در یک کانال با60%=BR  شعله در ابتدا با سرعتی در حدود m/s100 از قسمت میانی لوله حرکت کرده و بخشی از مواد را به صورت سوخته نشده ترك می کند.سپس شعله برگشته و مواد نسوخته را هم می سوزاند 
  30 شکل220: نحوه ي وقوع احتراق آشفته در ترکیب − 70% در یک کانال با  BR=%60
33 شکل221: آغاز انفجار به واسطه ي انعکاس ماخ از دیواره ي بالایی.موج ضربه مربوط به یک شعله ي آشفته بوده که جلوتر از جبهه ي موج در حرکت بوده است.انعکاس از دیواره ي بالایی زمانی اتفاق افتاده که موج ضربه از مانع گذشته و وارد یک حجم بزرگتر شده است 
34 شکل222: آغاز انفجار به واسطه ي برهم کنش بین امواج فشاري و جبهه ي شعله در نزدیکی لایه ي مرزي.نقطه ي آغاز موج انفجاري در عکس دوم در فاصله ي کمی از دیواره ي پایینی و در مرکز موج بیضیوار نشان داده شده می باشد 
  37 شکل223: نتایج آزمایش هایی که در جدول2 – 1 ارائه شده است 
  44 شکل31 : نمونه اي از شبکه تولید شده در نرم افزار Gambit 
  45 شکل32: تعیین شرایط مرزي باید در نرم افزار Gambit 
  51 شکل33: وارد کردن هندسه وشبکه تولید شده در نرم افزار Gambit به نرم افزار Fluent
  52 شکل34: اطلاعاتی در مورد وسعت دامنه حل، مقدار حل و غیره در پنجره کنسول 
  54 شکل35:  پانل Solver 
  55 شکل36: پانل Energy 
  56    Viscous Model شکل37: پانل
  57    CHEMKIN Mechanism Import شکل38: پانل

شکل ها 

58    Species Model شکل39: پانل
59    Material شکل310: پانل
  60    Operating Condition شکل311:  پانل
  60    Boundary Conditions شکل312: پانل
  61    Solution Controls شکل313: پانل
  63   Solution Initialization شکل314: پانل
  64    Region Adoption شکل315: پانل
  64    Manage Region Adoption شکل316: پانل
  65 شکل317: پنجره نمایش گرافیکی.
  66 شکل318: پانل Patch
  67    .در حالت دائم Auto save Case/Data شکل319: پانل
  68    Iterate شکل320: پانل
  69 شکل321: پانل کنسول و پنجره گرافیکی در حال محاسبات.
  83 شکل41: حجم کنترل براي وضعیت دو بعدي 
  85 شکل42: خطوط همدما در مدل ساخته شده پیش از آغاز حل 
  86 شکل43: مقایسه ي نتایج حاصل از شبیه سازي با نتایج تجربی 
  87 شکل 44:  توزیع دما در لوله در چهار زمان مختلف پس از آغاز جرقه 
  87 شکل 45: توزیع فشار در بخشی از لوله در چهار زمان مختلف پس از آغاز جرقه 
  90 شکل 51: تصویري از یک مدل ساخته شده که در آن از 8 مانع استفاده شده است. دیواره و موانع آدیاباتیک فرض شده و شرط عدم لغزش در دیواره ها حاکم است.
91 شکل 52: توزیع دما در داخل لوله در زمانهاي مختلف پس از آغاز جرقه.زمان ها در شکل نشان داده شده است. 40%=BR  و S=2 cm .قاب هاي نشان داده شده در شکل، نیمه ي بالایی لوله ي مدل شده را نشان می دهند

عنوان    صفحه

شکل 53: توزیع فشار در داخل لوله در زمانهاي مختلف پس از آغاز جرقه.زمان ها در شکل     نشان داده شده است. 40%=BR  و S =2 cm.قاب هاي نشان داده شده در شکل، نیمه ي       92  بالایی لوله ي مدل شده را نشان می دهند

 

 

فهرست شکل ها 

  عنوان   صفحه

 

92 شکل 54: توزیع سرعت در داخل لوله در زمانهاي مختلف پس از آغاز جرقه.زمان ها در   شکل نشان داده شده است. 40%=BR  و S=2 cm .قاب هاي نشان داده شده در شکل، نیمه ي بالایی لوله ي مدل شده را نشان می دهند
  94 شکل 55: شکلی از اثرات درصد انسداد بر روي کل سطح شعله
  95 شکل 56: نمودار سرعت جبهه شعله براي مخلوط متان،اکسیژن ونیتروژن،40%= BR وS=2cm
  96 شکل 57: نمودار سرعت جبهه شعله براي مخلوط متان،اکسیژن ونیتروژن،60%= BR وS=2cm
  97 شکل 58: نمودار سرعت جبهه شعله براي مخلوط متان،اکسیژن ونیتروژن،70%= BR و S=2cm.
  99 شکل 59: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي فاصله ي بین موانع متفاوت در مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در40%=BR
  100 شکل 510: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي فاصله ي بین موانع متفاوت در مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در60%=BR
  100 شکل 511: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي فاصله ي بین موانع متفاوت در مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در70%=BR
  101 شکل 512: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي فاصله ي بین موانع متفاوت در مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در 40%=BR  تا70%=BR
  104 شکل 513: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي نسبت انسدادهاي متفاوت (فاصله ي بین موانع ثابت). در  مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در و S=2 cm
  104 شکل 514: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي نسبت انسدادهاي متفاوت (فاصله ي بین موانع ثابت). در  مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در و S=4 cm
  105 شکل 515: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي نسبت انسدادهاي متفاوت (فاصله ي بین موانع ثابت). در  مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در و S=6 cm
  105 شکل 516: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي نسبت انسدادهاي متفاوت (فاصله ي بین موانع ثابت). در  مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در و 7=S
  106 شکل 517: طول پیش از انفجار محاسبه شده براي نسبت انسدادهاي متفاوت (فاصله ي بین موانع ثابت). در  مخلوط متان،اکسیژن و نیتروژن در و S=2 cm تا و S=7 cm.

 

فهرست علائم و اختصارات

 

Deflagration to Detonation Transition

 DDT
 L-D   Landau–Darrieus instability
 V(x) سرعت محوريطول پیش از انفجار
 P فشار
 D قطر لوله
 R-M   Richtmyer-Meshkov
 K-H   Kelvin-Helmholtz
 CJ  Chapman-Jouget
 d قطر روزنه ي تعبیه شده در مرکز مانع
 λ اندازه ي سلول انفجاري بزرگترین عرض کانال فاصله ي بین موانع در کانال
 S فاصله ي بین موانع در کانال مدور
 BR نسبت انسداد
 L اندازه ي مشخصه ي یک کانال
 FA شتاب گیري شعله
 N تعداد گونه هاي شیمیایی موجود در مخلوط
  ODE معادلات دیفرانسیل معمولی مقادیر ویژه ي ژاکوبین سختی سیستم
  A ضریب ثابت(بر حسب واحدهاي سازگار)
  E انرژي اکتیواسیون(بر حسب J/kgmol-K)
 T(K) دما
 R ثابت جهانی گازها(بر حسب J/kgmol-K)
 ρ چگالی
 t زمان
متوسط زمانی براي سرعت در راستايx

i

تانسور تنش          نیروهاي حجمی در راستايx i           

  • آنتالپی

ظرفیت گرمایی ویژه ي مخلوط

شار حرارتی ناشی از تشعشع گرمایی کسر جرمی گونه ي i

نرخ کلی تولید گونه ي i به وسیله ي واکنش شیمیایی  نرخ تولید گونه يi به وسیله ي عوامل مختلف دیگر ضریب پخش جرم گونه ي i موجود در مخلوط  عدد اشمیت آشفته ضریب موثر پخش جرم آشفته

ویسکوزیته ي آشفته                                                                                                    

  • جرم مولکولی گونه ي

نرخ مولی تولید یا واپاشی گونه ي i در واکنش Rˆi r,                                                                                                                              r

تعداد واکنش ها                                                                                                         

ضریب استوکیومتري واکنش دهنده ي i در واکنش vi,r r ضریب استوکیومتري محصول i در واکنش vi,r r

نماد نشان دهنده ي گونه ي i ثابت سرعت واکنش رفت براي واکنش r ثابت سرعت واکنش برگشت براي واکنش r تعداد گونه هاي شیمیایی موجود در واکنش r

غلطت مولی هریک از واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش r

توان سرعت هر یک از واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش r در واکنش رفت               ,j r توان سرعت هر یک از واکنش دهنده ها و محصولات در واکنش r در واکنش برگشت                ,j r تاثیرات third bodies بر روي نرخ واکنش  Γ    تاثیرات third bodies گونه ي j در واکنش j r,            r ثابت تعادل در واکنش Kr r آنتالپی حالت استاندارد       0hi آنتروپی حالت استاندارد   0si

تولید انرژي جنبشی آشفتگی به دلیل گرادیان سرعت متوسط GK تولید انرژي جنبشی آشفتگی به دلیل نیروي شناوري GB اتلاف اتساعی  Y M        

 

 M t عدد ماخ آشفته
       k عدد پراندتل آشفتگی براي k
عدد پراندتل آشفتگی براي
       k معکوس عدد پراندتل موثر براي k
  معکوس عدد پراندتل موثر براي
Sk عبارت چشمه براي k
S عبارت چشمه براي
eff ویسکوزیته ي موثر آشفتگی
P       op فشار مطلق
Cp i, ظرفیت گرمایی ویژه ي مخلوط
x اندازه ي حجم کنترل در راستاي x
y اندازه ي حجم کنترل در راستايy

فاصه ي مرکز حجم کنترل با مرکز حجم کنترل شرقی فاصه ي مرکز حجم کنترل با مرکز حجم کنترل غربی فاصه ي مرکز حجم کنترل با مرکز حجم کنترل شمالی فاصه ي مرکز حجم کنترل با مرکز حجم کنترل جنوبی فاصله ي بین موانع

فصل1 :طرح مسأله ي تحقیق

1-1. مقدمه

در این فصل به ارائه ي یک نماي کلی از تحقیق صورت گرفته می پردازیم.امروزه تحقیقات فراوانـیدر زمین ه ي [1]DDT در ح ال انج ام اس ت و عل ت ای ن ام ر آن اسـت ک ه اسـتفاده از مـوج ه اي انفجاري،خصوصا استفاده از موج انفجار ناشی از پدیده ي گذر از احتراق به انفجار (DDT) کاربردهـايفراوانی یافته است.

مسئله ي اساسی در این تحقیق بررسی پدیده ي گـذر از احتـراق بـه انفجـار در داخـل یـک لولـهوبررسی هندسه و ترکیب مناسب صفحات ارفیس براي کاهش طول پیش از انفجار می باشد.

در این تحقیق سعی بر این است با بررسی اثر نسـبت انسـداد صـفحات ارفـیس وفاصـله بـین ایـنصفحات بر طول پیش از انفجار ، به این پرسش پاسخ داد که آیا نسبت انسداد و فاصـله بـین صـفحاتارفیس خاص براي به حداقل رساندن طول پیش از انفجار می توان یافت ؟


مقطع : کارشناسی ارشد

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید