از آنجاییکه افزایش بازده حرارتی مشعلهای اجاق گاز منجر به کاهش هزینههای انرژی و همچنین کاهش انتشار گازهای گلخانهای میشود، برنامههای تحقیقاتی مختلفی در راستای توسعه مشعلهای اجاق گاز با بازده بالا و انتشار کم آلاینده در چند دههی اخیر در دست انجام قرار گرفته است. طبیعت بهشدت سهبعدی و پیجیدهی شعله در مشعلهای اجاق گاز خانگی، مطالعات آزمایشگاهی در این حیطه را با چالش مواجه کرده است؛ از اینرو علاقهی محققان به استفاده از شبیهسازیهای عددی روندی رو به رشد به خود گرفته است.
در گذشته، مهندسان برای طراحی و تحلیل تجهیزات جدید، ضمن صرف هزینه و زمان بهنسبت زیاد برای ساخت نمونه اولیه مجبور به راهندازی ستاپهای آزمایشگاهی مجهز جهت بررسی عملکرد تجهیز مورد نظر بهصورت تجربی بودند که این موضوع نیز بر میزان هزینهها میافزود. اما، امروزه به مدد توسعه مدلهای عددی و توان رایانهای، پیش از ساخت هر تجهیز ابتدا عملکرد آن به نحو کامل شبیهسازی شده و هر گونه تغییری بر عملکرد تجهیز قابل بررسی و پیشبینی است. شبیهسازی با استفاده از روشهای مرسوم عددی نظیر دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) به یافتن تصویر دقیق و اطلاعات جامع از میدان جریان احتراقی در مشعلها و بررسی عملکرد آنها کمک میکند.
دینامیک سیالات محاسباتی به مجموعهای از روشها اطلاق میشود که به کمک رایانه امکان شبیهسازی عددی جریان سیال را فراهم میکند. در شبیهسازی عددی، از رایانه بهمنظور حل قوانین حاکم بر جریان سیال در یک هندسه مشخص (که هندسهی آن نیز بر روی رایانه مدل میشود) استفاده میشود. اولین گام در هر تحلیل CFD تعریف و ایجاد هندسه ناحیه جریان یا دامنه محاسباتی است. به عبارت دیگر در این مرجله دامنه فیزیکی به دامنه محاسباتی تبدیل میشود. سپس در گام دوم، دامنه محاسباتی به مجموعهای از سلولها (حجمهای کنترل یا المانها) تقسیمبندی میشود. بهطوری که این حجم کنترل ضمن پوشش دادن کل دامنهی مورد نظر همپوشانی با یکدیگر نداشته باشند. به این مرحله تولید شبکه گفته میشود. مراحل بعدی تحلیل CFD شامل انتخاب فیزیک و خواص سیال، تعیین شرایط مرزی، حل عددی توسط نرمافزار و در نهایت گزارش نتایج و تصویرسازی است.
معرفی مشعل اجاق گاز حاضر
مشعل اجاق گاز مورد بررسی مطابق شکل 1 دارای اجزایی شامل: نازل کالیبره شده (اریفیس) از نوع نازل ثابت، کاسهی اختلاط یا مخلوط کننده، سر مشعل مجهز به درگاههایی برای خروج مخلوط گاز و هوا و پولکی یا سرپوش فلزی برای هدایت مخلوط از بین درگاهها میباشد. این نوع مشعل از نوع مشعلهایی با هوای اولیه است که در آن قسمتی از هوای احتراق که "هوای اولیه" خوانده میشود پیش از خروج از مشعل با گاز مخلوط میشود. مابقی هوا که "هوای ثانویه" خوانده میشود پس از خروج گاز از سر مشعل با آن مخلوط میشود. سوخت در ورود به کاسه اختلاط از یک نازل کالیبره شده عبور میکند. افت فشار ایجاد شده در جریان گاز نیروی لازم برای مکش هوای اولیه به داخل کاسهی اختلاط را فراهم میکند. هوای اولیه از فاصله بین سر مشعل و صفحهی اجاق گاز به داخل کاسهی اختلاط کشیده شده و با سوخت مخلوط میشود. این مخلوط وارد سرشعله شده و از فاصله بین سرپوش فلزی و سر مشعل به سمت درگاههای تعبیه شده بر روی سر مشعل هدایت میشود.
دامنه محاسباتی و تولید شبکه
پس از ایجاد هندسه نوبت به تعریف دامنه محاسباتی در نرم افزار میرسد. بهعلت پیچیدگی هندسه مشعل، دامنه محاسباتی مطابق شکل 2 به دو قسمت تقسیم شده است. قسمت اول مدلی برای شبیهسازی پدیده اختلاط بین گاز طبیعی و هوای اولیه در غیاب احتراق (شبیهسازی جریان سرد) و قسمت دوم مدلی برای شبیهسازی جریان احتراقی و محاسبه شار حرارتی وارد بر ظرف آب است.
در قسمت اول مدلی با اندازه واقعی مشعل در نظر گرفته شده و بهعلت پیچیدگی هندسی زیاد سر مشعل توسط شبکه مثلثی گسسته شده است. همانطور که در شکل 3 مشاهده میشود با توجه به تقارن هندسه و جریان و بهمنظور کاهش هزینه محاسباتی نیمی از میدان حل شبکهبندی شده و از شرط تقارن برای نیمهی دیگر استفاده شده است. لازم به ذکر است هدف از شبیهسازی جریان سرد، محاسبه دبی جرمی سوخت، دبی جرمی هوای اولیه و تعیین میزان هوادهی اولیه (نسبت بین حجم هوای اولیه و حجم هوای نظری) میباشد.
در قسمت دوم شبیهسازی عددی، مدلهای احتراقی و انتقال حرارتی نیز فعال میشوند. مطابق شکل 4 در این قسمت دامنه هندسی مسئله باز تعریف شده و دامنه محاسباتی از قسمت بالائی مشعل تا نواحی اطراف سطوح ظرف امتداد پیدا میکند. بهمنظور دستیابی به نتایج پر دقت، قطر دامنه محاسباتی تا چهار برابر قطر ظرف آب افزایش مییابد. دامنه محاسباتی توسط المانهای سه وجهی شبکهبندی میشود.
حل جریان سرد
همانطور که اشاره شد شبیهسازی عددی حاضر در دو بخش جریان سرد و گرم انجام میشود. در شبیهسازی جریان سرد، هدف بررسی اختلاط سوخت و هوای اولیه و بهدست آوردن دبی مخلوط سوخت و هوا و ترکیب شیمیائی این مخلوط به عنوان شرط مرزی ورودی در بخش شبیهسازی گرم است. شکل 5 کانتور سرعت جریان خروجی از نازل مشعل و ورودی به کاسه اختلاط را برای فشار گاز mbar 20 نشان میدهد. همانطور که مشاهده میشود به هنگام عبور جریان از گلوگاه نازل سرعت جریان تا حدود m/s 100 افزایش یافته است. این افزایش شدید سرعت کاهش فشار قابل توجهای را به همراه داشته که سبب مکش هوای اولیه از محیط بیرون به داخل کاسهی اختلاط میشود
اعتبارسنجی
به عنوان یک اصل کلی، نتایج شبیهسازیهای عددی هنگامی معتبر است که نتایج بهدست آمده همخوانی مطلوبی با نتایج آزمایشگاهی داشته باشند. به همین علت بازده حرارتی بهدست آمده از مطالعات آزمایشگاهی و عددی حاضر در شکل 6 مورد مقایسه قرار گرفته است. همانطور که مشاهده میشود نتایج عددی برای تمامی فشارها از دقت بهنسبت قابل قبولی برخوردار است. مطابق شکل با کاهش فشار گاز طبیعی بازده حرارتی مشعل افزایش یافته است.
بررسی تاثیر فشار گاز بر شکل شعله
میدان جریان احتراقی در مشعلهای اجاق گاز خانگی نقش اساسی در ساختار و شکل شعله، توزیع دما و در نتیجه بازده حرارتی و میزان انتشار آلایندهها ایفا میکند. بهمنظور فهم بهتر میدان جریان احتراقی، در شکل 7 کانتورهای گرمای واکنش برای شبیهسازی با فشارهای مختلف ترسیم شده است. به علت اثرات شناوری ناشی از افزایش دمای محصولات احتراق، شعلهی شکل گرفته بر روی سر مشعل به سمت ظرف آب (مرز بالائی) متمایل شده است. مطابق شکل با کاهش فشار از طول شعله کاسته شده و شعله با طی مسافت کمتری به ظرف آب میرسد. با افزایش فشار ضمن کشیدهتر شدن طول شعله، زاویه آن بازتر میشود.
جمع بندی
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی، CFD، در تحلیل جریان و انتقال حرارت در مشعلهای اجاق گاز خانگی موضوعی نسبتاً نوپا است. یکی از عوامل مهم این موضوع پیچیدگی هندسی بسیار زیاد سر مشعل بوده که تولید شبکه مناسب را دشوار مینماید. به هرحال فهم بهتر جریان و انتقال حرارت و تاثیر آن بر شکل شعله و در نتیجه اثر آن بر بازده حرارتی و میزان انتشار آلایندهها در صورت دستیابی به یک مدل عددی معتبر آسانتر مینماید. به کمک CFD اثر پارامترهای بسیاری از جمله ارتفاع ظرف از مشعل، قطر سرپوش، شکل درگاههای (پورت) خروج گاز از مشعل، اندازه درگاهها، فاصله درگاهها از یکدیگر، زاویه خروج گاز از درگاه، میزان هوادهی اولیه، قطر نازل پاشش سوخت،
اندازه ظرف و فشار جریان سوخت بر بازده حرارتی، توان مشعل و انتشار آلایندهها را میتوان با هزینه کمتری مطالعه کرد.