Investigation on effect of air velocity in turbulent non-premixed flames

• Autorzy: Namazian Z. , Hashemi H. , Namazian F.

Identyfikatory

DOI

10.1515/meceng-2016-0020

Warianty tytułu

PL

Badanie wpływu szybkości powietrza w płomieniach turbulentnych bez wstępnego mieszania

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this study, the turbulent non-premixed methane-air flame is simulated to determine the effect of air velocity on the length of flame, temperature distribution and mole fraction of species. The computational fluid dynamics (CFD) technique is used to perform this simulation. To solve the turbulence flow, k-ε model is used. In contrast to the previous works, in this study, in each one of simulations the properties of materials are taken variable and then the results are compared. The results show that at a certain flow rate of fuel, by increasing the air velocity, similar to when the properties are constant, the width of the flame becomes thinner and the maximum temperature is higher; the penetration of oxygen into the fuel as well as fuel consumption is also increased. It is noteworthy that most of the pollutants produced are NOx, which are strongly temperature dependent. The amount of these pollutants rises when the temperature is increased. As a solution, decreasing the air velocity can decrease the amount of these pollutants. Finally, comparing the result of this study and the other work, which considers constant properties, shows that the variable properties assumption leads to obtaining more exact solution but the trends of both results are similar.

PL

W pracy przeprowadzono symulację turbulentnego płomienia metanowo-powietrznego bez mieszania wstępnego w celu wyznaczenia wpływu szybkości powietrza na długość płomienia, rozkład temperatur oraz ułamek molowy składników spalin. Do przeprowadzenia symulacji wykorzystano technikę obliczeniowej dynamiki płynów (CFD). Przy rozwiązaniu przepływu turbulentnego zastosowano model k-ε. W przeciwieństwie do poprzednich prac, w prezentowanym studium założono zmienne właściwości materiałów w każdej z symulacji, a wyniki symulacji porównywano. Rezultaty badań pokazują, że przy określonej prędkości przepływu paliwa, przy wzroście szybkości powietrza uzyskuje się cieńszy płomień, o wyższej temperaturze, podobnie jak w przypadku gdy zakłada się stałe właściwości. Wzrasta przy tym penetracja tlenu do płomienia, a także zużycie paliwa. Warto zauważyć, że większość powstających szkodliwych substancji to tlenki azotu (NOx), silnie zależne od temperatury. Zawartość tych zanieczyszczeń rośnie ze wzrostem temperatury. Rozwiązaniem jest zmniejszenie szybkości powietrza, co może zmniejszyć zawartość zanieczyszczeń. Ostatecznie, porównując wyniki tego studium i poprzedniej pracy gdzie założono stałe właściwości materiałów, pokazano, że założenie zmiennych właściwości prowadzi do otrzymania dokładniejszych rozwiązań, niemniej, wyniki wykazują w obydwu przypadkach ten sam trend.

Słowa kluczowe

EN

non-premixed turbulent flame; methane-air flame; length of flame; flame temperature

PL

płomienie turbulentne bez mieszania wstępnego; metan-powietrze; długość płomienia; temperatura płomienia

• Wydawca: Komitet Budowy Maszyn PAN
• Czasopismo: Archive of Mechanical Engineering
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. LXIII, nr 3
• Strony: 355--366
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys.

Twórcy

autor

Namazian Z.

• Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Yasooj Branch, Islamic Azad University, Yasooj, Iran

autor

Hashemi H.

• Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Yasooj Branch, Islamic Azad University, Yasooj, Iran

autor

Namazian F.

• Department of Mechanical Engineering, College of Engineering, Yasooj Branch, Islamic Azad University, Yasooj, Iran

Bibliografia

• [1] P.A. Libby and F.A. Williams. Fundamental aspects. In Turbulent reacting flows, chapter 1, pages 1–43. Springer, 1980.
• [2] F.A. Williams. Progress in knowledge of flamelet structure and extinction. Progress in Energy and Combustion Science, 26(4):657–682, 2000.
• [3] R.W. Bilger. Future progress in turbulent combustion research. Progress in Energy and Combustion Science, 26(4):367–380, 2000.
• [4] W.P. Jones and J.H. Whitelaw. Calculation methods for reacting turbulent flows: a review. Combustion and Flame, 48:1–26, 1982.
• [5] N. Peters. Turbulent combustion. Cambridge University Press, 2000.
• [6] B.E. Launder, G. Jr. Reece, and W. Rodi. Progress in the development of a Reynolds-stress turbulence closure. Journal of Fluid Mechanics, 68(03):537–566, 1975.
• [7] N. Peters. Laminar flamelet concepts in turbulent combustion. In Symposium (International) on Combustion, volume 21, pages 1231–1250. Elsevier, 1988.
• [8] S.B. Pope. PDF methods for turbulent reactive flows. Progress in Energy and Combustion Science, 11(2):119–192, 1985.
• [9] R.W. Bilger. Conditional moment closure for turbulent reacting flow. Physics of Fluids A: Fluid Dynamics, 5(2):436–444, 1993.
• [10] S. Mahesh and D.P. Mishra. Flame stability and emission characteristics of turbulent LPG IDF in a backstep burner. Fuel, 87(12):2614–2619, 2008.
• [11] S. Mahesh and D.P. Mishra. Flame structure of LPG-air Inverse Diffusion Flame in a backstep burner. Fuel, 89(8):2145–2148, 2010.
• [12] E. Fernández-Tarrazo, M. Vera, and A. Liñán. Liftoff and blowoff of a diffusion flame between parallel streams of fuel and air. Combustion and Flame, 144(1):261–276, 2006.
• [13] P. Meunier, M. Costa, and M.G. Carvalho. On NOx emissions from turbulent propane diffusion flames. Combustion and Flame, 112(1):221–230, 1998.
• [14] A. Santos and M. Costa. Reexamination of the scaling laws forNOx emissions from hydrocarbon turbulent jet diffusion flames. Combustion and Flame, 142(1):160–169, 2005.
• [15] A. Sobiesiak and J.C. Wenzell. Characteristics and structure of inverse flames of natural gas. Proceedings of the Combustion Institute, 30(1):743–749, 2005.
• [16] L.K. Sze, C.S. Cheung, and C.W. Leung. Appearance, temperature, and NOx emission of two inverse diffusion flames with different port design. Combustion and Flame, 144(1):237–248, 2006.
• [17] J. Oh, P. Heo, and Y. Yoon. Acoustic excitation effect on NOx reduction and flame stability in a lifted non-premixed turbulent hydrogen jet with coaxial air. International Journal of Hydrogen Energy, 34(18):7851–7861, 2009.
• [18] D.P. Mishra and P. Kumar. Experimental study of bluff-body stabilized LPG–H2 jet diffusion flame with preheated reactant. Fuel, 89(1):212–218, 2010.
• [19] W. Rudy, A. Dabkowski, and A. Teodorczyk. Experimental and numerical study on spontaneous ignition of hydrogen and hydrogen-methane jets in air. International Journal of Hydrogen Energy, 39(35):20388–20395, 2014.
• [20] S.A.A. El-Ghafour, A.H.E. El-Dein, and A.A.R. Aref. Combustion characteristics of natural gas–hydrogen hybrid fuel turbulent diffusion flame. International Journal of Hydrogen Energy, 35(6):2556–2565, 2010.
• [21] K.W. Lee and D.H. Choi. Analysis of NO formation in high temperature diluted air combustion in a coaxial jet flame using an unsteady flamelet model. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5):1412–1420, 2009.
• [22] G.M. Choi and M. Katsuki. Advanced low NOx combustion using highly preheated air. Energy Conversion and Management, 42(5):639–652, 2001.
• [23] S.J. Brookes and J.B. Moss. Measurements of soot production and thermal radiation from confined turbulent jet diffusion flames of methane. Combustion and Flame, 116(1):49–61, 1999.
• [24] T. Boushaki, M.A. Mergheni, J.C. Sautet, and B. Labegorre. Effects of inclined jets on turbulent oxy-flame characteristics in a triple jet burner. Experimental Thermal and Fluid Science, 32(7):1363–1370, 2008.
• [25] Z. Namazin. Effect of air velocity on the length of flame in turbulent non-premixed flames. In Proceedings of 15th ISERD International Conference, pages 25–28, Rome, Italy, Nov. 2015.
• [26] Z. Riahi, M.A. Mergheni, J.C. Sautet, and S.B.Nasrallah. Numerical study of turbulent normal diffusion flame CH4-air stabilized by coaxial burner. Thermal Science, 17(4):1207–1219, 2013.

Uwagi

PL

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę.