გამოიყენეთ STAR-CCM+ წვის პროცესში დეტალური ქიმიის გასაგებად

გამოიყენეთ STAR-CCM+ წვის პროცესში დეტალური ქიმიის გასაგებად

დიზელის წვის ძრავის სამგზავრო მანქანების გამონაბოლქვის შესრულება და ძრავის ციკლის გაზომვები ბოლო დროს მედიაში უამრავი „კვამლი“ შეიქმნა. დისკუსიები ხაზს უსვამს ემისიის შემცირებისა და შესრულების მნიშვნელობას და ასევე ავლენს ამ სამუშაოს დიდ გამოწვევას. თუ მსოფლიოს ზოგიერთი უმსხვილესი ავტომობილების მწარმოებელი იბრძვის ემისიის ლიმიტების დაკმაყოფილებისთვის, აშკარაა, რომ არ არსებობს მარტივი გამოსავალი.

ემისიები არის ქიმიური პროცესის ქვეპროდუქტები და მათი გაგება, პროგნოზირება დადიზაინის შესაბამისი მანქანები, ძირითადი ქიმიური გზები კარგად უნდა იყოს გაგებული . ამ სტატიის მიზანია შემოგთავაზოთ ხელმისაწვდომი ინსტრუმენტები, რათა სამუშაოს გაგება და ქიმიის პროგნოზირება უფრო მარტივი და გასაგები გახდეს. აქ არის ამბავი ჯეინზე, წარმოსახვით წვის კამერის დიზაინის ინჟინერი , რომელიც აღწერს მის წინაშე არსებულ ყოველდღიურ გამოწვევებს.

გაიცანით ჯეინი, წვის ინჟინერი და STAR-CCM+ მომხმარებელი

ჯეინი ახლად დასაქმებული დიზაინერის ინჟინერია CombustionCorp-ში, კომპანია, რომელმაც ახლახან დაიწყო CFD-ის გამოყენება მათი განვითარების პროექტების ძირითადი ნაწილისთვის, წვის კამერის დიზაინი ერთ-ერთი მათგანია. ჯეინის პირველი დავალებაა გამოიკვლიოს და გააუმჯობესოს ბუნებრივი აირის საწვავის დიზაინი. STAR-CCM+-ის გამოყენებით, მას შეუძლია დააყენოს გეომეტრია და ფიზიკა, აირჩიონ სტანდარტული Eddy Break Up (EBU) წვის მოდელი. . იგი გადაწყვეტს, რომ მარტივის შენარჩუნება ერთი საერთო რეაქციის მოდელირებით არის კარგი საწყისი წერტილი, რადგან მას დიდი ზეწოლა ექვემდებარება მისი მენეჯმენტის მხრიდან სამუშაოს სწრაფად შესასრულებლად. ის იღებს ნაკადის და ტემპერატურის ველს და ამოწმებს, რომ მიღებული შედეგები ზუსტია. შემდეგ ის იწყებს დიზაინერულ მუშაობას Optimate+-ითTMდა მას შეუძლია ავტომატურად გააუმჯობესოს დიზაინი საწვავის საქშენების განლაგების ოპტიმიზაციის გზით.

და შემდეგ, რამდენიმე დღის შემდეგ, მეცნიერი ლაბორატორიიდან ეუბნება, რომ საწვავი, რომელსაც ის აპროექტებს, განსხვავებულად იქცევა ბუნებრივი აირის სხვადასხვა ხარისხისთვის. მას აინტერესებს, სჭირდება თუ არა უფრო რთული მიდგომის განხილვა და იწყებს კითხვების დასმას…



რატომ იქცევა საწვავი განსხვავებულად ბუნებრივი აირის სხვადასხვა ხარისხისთვის?

სხვადასხვა ხარისხის ბუნებრივი აირი შეიცავს სხვადასხვა რაოდენობით უფრო დიდ ნახშირწყალბადებს. მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირი ძირითადად შედგება მეთანისგან, ხოლო დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირი შეიცავს რამდენიმე პროცენტს ეთანს, პროპანს და ბუტანს. . უფრო დიდი ნახშირწყალბადები იშლება ბევრად უფრო ადვილად, ვიდრე მეთანი და, შესაბამისად, დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირი უფრო სწრაფად აალდება.

როგორ მოქმედებს ადრეული ანთება წვის საერთო ქცევაზე?

ამის გასაგებად ჯეინი სწავლობს ქიმიურ ეფექტებს იზოლირებულ გარემოში, რაც გამორიცხავს დინების ველების გავლენას. იგი აღმოაჩენს, რომ შეუძლია გამოიყენოს DARS ამის მისაღწევად. DARS არის დამოუკიდებელი ინსტრუმენტი CD-adapco-სგან ქიმიური რეაქციების ანალიზისთვის 0D და 1D იდეალიზებულ რეაქტორებში. ხელსაწყოს შეუძლია ქიმიური რეაქციების სქემების წაკითხვა და ანალიზი, მაგალითად, ნახშირწყალბადების წვის და კატალიზური პროცესების შემდგომი დამუშავების სისტემებში.

ჯეინი ხსნის DARS-ს და კითხულობს სტანდარტული ბუნებრივი აირის ქიმიას, რომელიც მიწოდებულია DARS-ით. შემდეგ იგი აკავშირებს რამდენიმე სხვადასხვა რეაქტორს წაკითხვის მექანიზმის მოდულთან:

  • თავისუფლად გამავრცელებელი ცეცხლი: ეს მოდული ითვლის ლამინირებულ ალი სიჩქარეს, რაც მნიშვნელოვანი თვისებაა ალის გავრცელებისთვის და, შესაბამისად, წვის ქცევისთვის საწვავში. მოდული ასევე ითვლის სახეობების პროფილებს და ტემპერატურას ცეცხლში.
  • მუდმივი წნევა: ეს მოდული ითვლის აალების შეფერხების დროებს, აგრეთვე სახეობების პროფილებს და თერმოდინამიკურ თვისებებს ავტომატური აალების მოვლენის ერთგვაროვანი მუდმივი წნევის პირობებში. ის ასევე შეიძლება გამოყენებულ იქნას ემისიის წარმოების გამოსათვლელად.
  • Flamelet ბიბლიოთეკა: ეს მოდული ითვლის სახეობებისა და ტემპერატურის პროფილებს დიფუზიურ ცეცხლში. ის ასევე ითვლის გადაშენების ზღვარს.
  • წონასწორობა: ეს მოდული ითვლის წონასწორობის სახეობებს და ტემპერატურას.

DARS მომხმარებლის ინტერფეისი

თითოეული მოდულისთვის ჯეინი ცდის საწვავის ორ სხვადასხვა ხარისხს DARS-ში:

  • სუფთა მეთანი ძალიან მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირის სიმულაციისთვის,
  • მეთანი შერეული რამდენიმე პროცენტით უფრო დიდი ნახშირწყალბადებით (C2-C4).

იგი პირველად ითვლის ლამინირებულ ალი სიჩქარეს ეკვივალენტური თანაფარდობის დიაპაზონისთვის. ლამინირებული ალი სიჩქარე არის თავისუფლად გავრცელებული ალი წინასწარ შერეულ პირობებში. ის აღმოაჩენს, რომ ალის სიჩქარე დაახლოებით 1 სმ/წმ-ით უფრო სწრაფია დაბალი ხარისხის შერევისთვის. ის ფიქრობს, აქვს თუ არა ამას მნიშვნელობა მისი დიზაინისთვის…

რას ნიშნავს აალების უფრო სწრაფი სიჩქარე საწვავისთვის?

ჯეინი გადაწყვეტს, რომ ეს ზრდის საწვავში გამობრუნების რისკს. იგი ასევე აღნიშნავს, რომ ძალიან მჭლე პირობებში, სუფთა მეთანის საწვავის სიჩქარე დაახლოებით 14%-ით ნელია, ვიდრე დაბალი ხარისხის საწვავი, რაც იმაზე მეტყველებს, რომ მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირი უფრო მიდრეკილია მჭლე აფეთქებისკენ.

დიფუზიური წვის დროს ქცევის გასაგებად, იგი ითვლის ფლეილეტის ბიბლიოთეკას საწვავის თითოეული შემადგენლობისთვის. ფლამელეტი არის იდეალიზებული ლამინარული დიფუზიური ალი, ხოლო ფლამელეტის ბიბლიოთეკა არის ფლამელეტების ნაკრები სხვადასხვა სკალარული გაფრქვევის (შერევის) სიჩქარისთვის. . იგი აკვირდება, რომ ფლეილეტში მაქსიმალური ტემპერატურა დაახლოებით 30K-ით მაღალია დაბალი ხარისხის საწვავისთვის მაღალი სკალარული გაფრქვევის სიჩქარის პირობებში. ეს ხდის მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირის ალი უფრო მიდრეკილს ჩაქრობისკენ; იგი აღნიშნავს, რომ ჩაქრობის სკალარული გაფრქვევის სიჩქარე დაბალი ხარისხის საწვავისთვის არის 41/წმ, ხოლო მაღალი ხარისხის საწვავისთვის 35/წმ. ჩაქრობის სკალარული გაფრქვევის სიჩქარე არის შერევის სიჩქარე, რომლითაც ხდება დიფუზიის ალი. ეს მიუთითებს იმაზე, რომ აფეთქება უფრო ხშირია მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირის შემთხვევაში.

ჯეინი ითვლის აალების შეფერხების დროებს, რათა გაიგოს აალებადი და შეაფასოს წინასწარი აალების ტენდენცია საწვავის შერევის ზონაში. ის ქმნის პარამეტრის წმენდას (DARS-ში ე.წ. multi-run) მეთანით, როგორც საწვავი, რომელიც მოიცავს საწვავის-ჰაერის ეკვივალენტობის კოეფიციენტების სრულ დიაპაზონს შესასვლელი ტემპერატურისა და გარემოს წნევის გათვალისწინებით. რამდენიმე წამის შემდეგ, გამოთვლები დასრულებულია და მას შეუძლია უყუროს ნარევის ანთებას. იგი აღნიშნავს, რომ დაბალი ხარისხის ბუნებრივ აირზე აალების დრო მცირდება დაახლოებით 25%-ით, რაც ზრდის შერევის ზონაში წინასწარ აალების რისკს. .

წონასწორობის გამოთვლებიდან იგი აკვირდება, რომ დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირის ადიაბატური ალი ტემპერატურა დაახლოებით 5K-ით მაღალია, ვიდრე მაღალი ხარისხის ბუნებრივი აირის. ხედავს გავლენას წვის ქცევაზე მხოლოდ საწვავის შემადგენლობის ძალიან მცირე ცვლილებით, მას ესმის, რომ უნდა გააგრძელოს კვლევები CFD სიმულაციებში, რათა რაოდენობრივად შეფასდეს გავლენა საწვავის ქცევაზე. მას ახლა უნდა გაერკვია როგორ გააკეთოს ეს და აინტერესებს…

როგორ დავაფიქსირო საწვავის სხვადასხვა ნარევები ჩემს CFD გამოთვლებში?

ჯეინი ხვდება, რომ მას ამის გაკეთება შეუძლია Flamelet Generated Manifold (FGM) მოდელი STAR-CCM+-ში , რომელიც მოიცავს სრულ დეტალურ სასრული სიჩქარის ქიმიას შესრულების სიჩქარის კომპრომისის გარეშე. საწვავის სხვადასხვა ნარევების ეფექტი აღირიცხება ერთი FGM ბიბლიოთეკის შექმნით თითოეული საწვავის ნარევისთვის. FGM ბიბლიოთეკა შექმნილია დეტალური ქიმიიდან.

როგორ მივიღო FGM ბიბლიოთეკა ჩემი საწვავის პირობებისთვის STAR-CCM+-ისთვის?

ჯეინი აღმოაჩენს, რომ ამისთვისაც შეუძლია DARS-ის გამოყენება. ის ხსნის თავის DARS პროექტს და გადაათრევს FGM ბიბლიოთეკის გენერირების მოდულს სამუშაო მაგიდაზე, ადგენს გამოთვლებს და აწარმოებს ბიბლიოთეკის თაობას. ის ქმნის FGM ბიბლიოთეკების კომპლექტს ბუნებრივი აირის სხვადასხვა ნარევებისთვის და იყენებს მათ CFD გამოთვლებში, ამატებს საწვავის სხვადასხვა ხარისხს მის Optimate+ ოპტიმიზაციებს. ის აღმოაჩენს დიზაინს, რომელიც ასევე შესაფერისია დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირისთვის და აწვდის მას ლაბორატორიის ინჟინრებს შესამოწმებლად.

ამ განახლების შემდეგ, მისი კოლეგები ძალიან დაინტერესებულნი არიან განსხვავებული ქცევით და სურთ გაიგონ, რატომ ხდება ეს.

როგორ გავიგოთ საწვავის სხვადასხვა ნარევების ეფექტი?

ამისათვის ის ხელახლა აწარმოებს ერთგვაროვან მუდმივი წნევის რეაქტორს მხოლოდ დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირით და მეთანით და ამოწმებს სახეობების მგრძნობელობის ანალიზს. სუფთა მეთანის წვის შედეგები ასე გამოიყურება:

როგორც მოსალოდნელი იყო, მეთანი და ჟანგბადი დომინანტური სახეობებია წვის პროცესში. შემდეგ იგი ადგენს იგივე მგრძნობელობის ანალიზს დაბალი ხარისხის ბუნებრივი აირის მიმართ:

პროპანი შეადგენს საწვავის ნარევის მხოლოდ 1,5%-ს, მაგრამ მაინც გავლენას ახდენს წვაზე თითქმის ისევე, როგორც მეთანი. ბუტანი, რომელიც შეადგენს ნარევის მხოლოდ 0,3%-ს, ასევე მნიშვნელოვან გავლენას ახდენს წვაზე. . ეს აჩვენებს, რომ უფრო დიდი ნახშირწყალბადები დიდ გავლენას ახდენენ. ამ ქცევის მიღმა არსებული რეაქციების გასაგებად, ის ამოწმებს მათ მგრძნობელობას. მან შენიშნა, რომ პროპანისა და ბუტანის დისოციაცია არის ორი ძალიან მნიშვნელოვანი პროცესი, გარდა ჟანგვის რეაქციებისა:

სენსიტიურობის ანალიზების, აალების შეფერხების დროების და CFD სიმულაციების გამოყენებით, ჯეინი ახლა შეიარაღებულია ყველა იმ მასალით, რომელიც მას სჭირდება, რათა აუხსნას თავის კოლეგებს, რა ხდება ამ პროცესის დროს.

ცოტა ხნის შემდეგ, ლაბორატორიის ინჟინერი ბრუნდება და ეკითხება მას გამონაბოლქვის შესახებ. ზოგიერთი დატვირთვის წერტილისთვის, CO ემისიები დაუშვებლად მაღალია. მზად არის მისი შემდეგი გამოწვევისთვის?

როგორ გავაუმჯობესოთ ემისიის შესრულება?

CO-ს ემისიების უკეთ გასაგებად, ჯეინი იწყებს DARS-ს და აწარმოებს ერთგვაროვანი მუდმივი წნევის რეაქტორების კომპლექტს მუდმივ ტემპერატურაზე, ქმნის ემისიის რუკას:

ამ რუკაზე მას შეუძლია ნახოს CO წარმოების სხვადასხვა საწვავი-ჰაერის ეკვივალენტობის თანაფარდობა და სხვადასხვა ტემპერატურა. CFD-ში ნარევის ფრაქციისა და ტემპერატურის ნაკადის ველთან შედარებით, ის აღმოაჩენს, რომ მისი დამწვარი შედის ნახშირორჟანგის გამომუშავების ზონაში საწვავის მდიდარ ზონაში საწვავის გამოსასვლელთან ახლოს მისი კოლეგის მიერ განსაზღვრული დატვირთვის დიაპაზონისთვის. . მან უნდა გააუმჯობესოს შერევა ამ ზონებში და ამით დააწესოს შეზღუდვა ამ რეგიონებში მაქსიმალური ეკვივალენტობის თანაფარდობაზე ოპტიმიზაციის შემდეგი მარყუჟისთვის. იგი ახერხებს CO-ს შემცირებას გარკვეული ეფექტურობის ჯარიმით და შეუძლია შეისწავლოს ნახშირორჟანგის ემისიასა და ეფექტურობას შორის ურთიერთდამოკიდებულება. CO-ს მოსავლიანობის შემდგომი გასაგებად, იგი ამატებს CO-ს შემდგომ დამუშავების სახეობებს მის FGM ბიბლიოთეკის თაობაში და ხელახლა წარმოქმნის FGM ბიბლიოთეკებს. ახლა მას შეუძლია პირდაპირ შეისწავლოს CO-ს გამომუშავება თავის CFD სიმულაციაში.

დაბოლოს, დეტალური ქიმიის ეფექტის სრულად გასაგებად, ის ირჩევს ერთ-ერთ შემთხვევას და იყენებს კომპლექსურ ქიმიას STAR-CCM+-ში, რათა შეასრულოს სრული CFD სიმულაცია DARS-ში გამოყენებული ქიმიური მექანიზმით. ეს კარგ ეტალონს წარმოადგენს წვის სხვა მოდელების წინააღმდეგ. ის არწმუნებს თავის მენეჯერს, რომ მიუხედავად იმისა, რომ ამ სიმულაციების დასრულებას უფრო მეტი დრო სჭირდება, ისინი ბევრად უკეთეს სიზუსტეს უზრუნველყოფენ. ყოველივე ამის შემდეგ, კომპანიას არ სურს დათხოვნა შეუსრულებლობის გამო. უფრო გრძელი გამოთვლითი დრო შეიძლება იყოს მხოლოდ მცირე ფასი.

ამ სტატიაში აღწერილი რთული ქიმიური გამოთვლების შესრულების გარდა, DARS შეიძლება გამოყენებულ იქნას:

  • შექმენით წვის და ემისიის ბიბლიოთეკები ცილინდრში წვისთვის:
    • ECFM-3Z TKI
    • ECFM-CLEH TKI + წონასწორობა
    • PVM-MF
    • Ჭვარტლი
  • გამოთვალეთ ლამინირებული ცეცხლის სისქე
  • ზედაპირის და გაზის ფაზის ქიმიის გამოთვლა კატალიზატორებში (DOC, TWC, DPF, ...)
  • მექანიზმების შემცირება

წყარო: CD-ადაპკო