احتراق زیست توده، شبیه سازی با انسیس فلوئنت

شرح پروژه (زیست توده)

هدف از مسأله حاضر، شبیه سازی عددی احتراق زیست توده (biomass) درون یک محفظه گسیفایر (gasifier) با استفاده از نرم افزار انسیس فلوئنت (ANSYS Fluent) است.

ماده مورد استفاده برای احتراق، زیست توده است که با اکسید کننده واکنش می‌دهد. این یک ماده زیست توده ساخته شده از کاه گندم (wheat straw) است که با اکسیژن واکنش می‌دهد و گاز سنتزی به عنوان یک سوخت سالم تولید می‌کند و گونه‌های مختلف گاز به عنوان واکنش دهنده‌ها یا محصولات درگیر می‌شوند.

سوخت حاوی زیست توده و هوا از دو ورودی مجزا از ناحیه فوقانی وارد محفظه می‌شود. توده‌ای از مواد از جمله خاکستر و زغال سنگ نیمه احتراق را در قسمت پایین محفظه ایجاد می‌کند. درنهایت، گاز حاصل از خروجی پایین محفظه به مرحله بعد تخلیه شده و برای ایجاد فرآیند احتراق وارد بویلر مربوطه می‌شود.

مدل دو بعدی و مش بندی آن را با استفاده از نرم افزار گمبیت (Gambit) طراحی می‌کنیم. مش بندی از نوع بدون سازمان (unstructured) بوده و تعداد 1108 سلول ایجاد شده است.

روش‌های استفاده شده

در این پروژه، از مدل گونه‌ها (Species Model) استفاده می‌کنیم. از آنجایی که ورودی‌های هوا و سوخت از هم جدا هستند، سوخت و اکسید کننده قبل از ورود به فضای داخلی محفظه با هم ترکیب نمی‌شوند. بنابراین، ما واکنش را به صورت غیر پیش آمیخته (Non-premixed) تعریف می‌کنیم.

ما یک فایل PDF (تابع تراکم احتمال(probability density function)) را وارد می‌کنیم تا احتراق غیر پیش آمیخته را تعریف کنیم. این مخلوطی است متشکل از زیست توده، هوا و دیگر گونه‌های گازی با حد اشتعال پذیری غنی (rich flammability limit) جریان سوخت برابر با 0.1 در نرم‌افزار فلوئنت.

همچنین، سوخت باید به صورت ذرات گسسته وارد محفظه شود. یعنی تزریق (injection) این ماده به داخل محفظه براساس دیدگاه لاگرانژی (Lagrangian) تعریف شده است. بنابراین، ما از مدل فاز گسسته (Discrete Phase Model (DPM)) استفاده می‌کنیم.

علاوه براین، مدل تابشی (Radiation Model) را تعریف می‌کنیم؛ زیرا انرژی گرمایی تابشی از شعله‌ها در فرآیند احتراق وجود دارد. در مدل حاضر، از مدل تابشی P1 استفاده می‌کنیم. به این دلیل که فرآیند مربوط به احتراق است و ضخامت لایه نوری آن زیاد است.

نتایج

در پایان فرایند حل، کانتورهای (contour) دو بعدی مربوط به فشار، دما، سرعت و چگالی را به دست می‌آوریم. ما همچنین کسر جرمی (mass fraction) گونه‌ها، کسر جرمی آب و بخار، و دمای تابش را به دست می‌آوریم.

نتایج نشان می‌دهد که همان‌طور که انتظار می‌رود، احتراق با ورود ذرات سوخت شکل گرفته و انجام می‌شود و دمای محفظه احتراق افزایش می‌یابد.

سرعت حداکثر مقدار خود را به دلیل تجمع ذرات در سطح ورودی کوچک در ناحیه ورودی دارد. بیشترین دما در دهانه نازل رخ داد. نتایج همچنین تجمع دوده را در ناحیه خروجی هندسه نشان می‌دهد.