دفاعیه‌ی دکترا

دفاعیه پایان نامه جناب آقای سیّد محمد علی نجفی دانشجوی دکترای مهندسی مکانیک با عنوان "مدل سازی گازسازی اسپری سوخت‌های سنگین نفتی" در تاریخ 1397/1/27 ساعت 15:30 برگزار می‌شود. اعضای آزمایشگاه تحقیقاتی پیشرانش فضایی از همه‌ی علاقه‌مندان به حوزه علمی مذکور و سایر حوزه‌های مرتبط جهت شرکت در این دفاعیه دعوت به عمل می‌آورند.

چکیده پایان نامه
در این رساله، گازسازی اسپری سوخت سنگین نفتی (مازوت) مورد مطالعه قرار گرفته است. با توجه به اهمیت کیفیت اسپری در فرایندهای احتراقی یا گازسازی، ابتدا به بررسی اسپری مازوت پرداخته شده است. اسپری سوخت سنگین در ابتدا به صورت تجربی مطالعه شد و در این مسیر شناخت بهتری از ویژگی‌های سوخت سنگین حاصل شد. برای انجام آزمایش‌ها انژکتوری مناسب برای یک گازساز تحقیقاتی طراحی شد و مورد آزمایش قرار گرفت. آزمایش‌ها در جهت شناخت عوامل موثر و چگونگی تاثیر هر عامل بر مشخصات اسپری انجام شد. از جمله‌ی این عوامل می‌توان به تغییرات لزجت، کشش سطحی و چگالی سیال وابسته به دما و فشار تزریق اشاره کرد. از مهم‌ترین مشخصات اسپری می‌توان طول شکست، زاویه‌ی اسپری، طول‌موج ناپایدار و توزیع قطر قطرات را نام برد. لزجت بسیار بالای مازوت در دماهای کم، اتمیزاسیون را بسیار دشوار کرده و اهمیت اسپری را افزایش می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که SMD به تغییرات دمایی حساس‌تر از تغییرات فشار بوده و با افزایش دما از   °T=100C به  °T=110C کاهش چشمگیری در SMD مشاهده می‌شود.
اسپری مازوت همچنین مورد مطالعه‌ی عددی قرار گرفت. آزمایش‌های تجربی بروی انژکتور فشاری-پیچشی برای اعتبار سنجی مطالعه‌ی عددی در فشارهای تزریق مختلف استفاده شد. مطالعه‌ی عددی با استفاده از کد Gerris انجام شد. برای کمک به بهبود ویژگی‌های اسپری سوخت سنگین، ایده‌ای برای ساخت یک انژکتور جدید با ترکیب انژکتور فشاری-پیچشی و انژکتور ضربه‌ای آلتراسونیک مطرح شد. شبیه‌سازی عددی نشان داد که با استفاده از یک انژکتور فشاری-پیچشی ضربه‌ای و ایجاد پالس‌هایی با فرکانس kHz 40 می‌توان به میزان 78 درصد طول شکست و 17 درصد SMD را، در مقایسه با حالت بدون پالس کاهش داد. استفاده از انژکتورهای فشاری-پیچشی ضربه‌ای در حالی منجر به کاهش قطر میانگین قطرات می‌شود که بر خلاف انژکتورهای هوا-کمک نسبت هوا به سوخت را تغییر نمی‌دهد. بنابراین استفاده از این نوع انژکتور می‌توان در گازسازهای جریان حامل که نیاز بسیار به کنترل این نسبت می‌باشد، عملکرد بسیار مناسبی را از خود نشان دهد.
آزمایش‌های آزمایشگاهی یا شبیه‌سازی اسپری منجر به تعیین توزیع قطر قطرات می‌شود که به صورت توابع توزیعی از جمله تابع توزیع روزین-راملر ارائه می‌شود. برای شبیه‌سازی یک گازساز جریان حامل، اگر تابع توزیع قطرات موجود باشد، قسمت عمده‌ای از محاسبات، که در فاز لاگرانژی و بسیار زمان‌بر است، به لطف استفاده از این تابع حذف می‌شود. که با توجه به استفاده از اطلاعات تجربی و یا شبیه‌سازی تابع توزیع قطر میانگین با دقت بالا تعیین شده و در ادامه شبیه‌سازی محیط واکنشی با سرعت بیش‌تری امکان‌پذیر است.
شبیه‌سازی گازساز با استفاده از کد متن باز اوپن‌فوم انجام شده است. شبیه‌سازی انجام شده پس از استخراج خصوصیات فیزیکی و ترمودینامیکی مازوت، از روش اویلری-لاگرانژی انجام شد. قطرات اسپری شده در فاز لاگرانژی دنبال شده و پس از تبخیر وارد فاز گازی شده و در محیط با دمای زیاد واکنش می‌دهند. مطالعه‌ی پارامتری برای بررسی اثر نسبت هم‌ارزی روی دما و توزیع درصد حجمی اجزاء انجام شد.
نتایج نشان می‌دهد که در اثر کاهش نسبت هوا به سوخت، درصد اجزای CO و H2 افزایش یافته است. برای CO این روند به صورت افزایشی-کاهشی بوده و در 0.4 =Er مقدار بیشینه را داشته است. بازده گاز سنتز در  0.4=Er بیشینه بوده است همچنین مقدار بازده‌کل (شامل حرارت) هم در همین نسبت هم‌ارزی بیشینه بوده است. در تمام موارد درصد کمی از CH4 در محصولات مشاهده می‌شود. در این فصل اثر تغییر مدل تبخیر قطرات در محفظه‌ی احتراق مطالعه شد و تأثیر قابل توجهی در این ارتباط مشاهده نشد.

در ادامه، مطالعه‌ی عملکرد یک گازساز بخار آب فوق بحرانی با خوراک سوخت سنگین نفتی (مازوت) در دستور کار قرار گرفت که با توجه به پیچیدگی‌های این شبیه‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی در حالت فوق بحرانی این مطالعه از رویکرد ترمودینامکی انجام شد. مطالعه‌ای پارامتری برای استخراج حساسیت پارامترهای مختلف روی عملکرد یک گازساز بخار آب فوق بحرانی با خوراک سوخت سنگین نفتی (مازوت) انجام شد. پارامترها شامل کسر جرمی خوراک و فشار و دمای گازساز می‌باشد. مطالعه در دو حالت انجام گرفت، یکی در حالت فشار ثابت گازساز (P=1.22MPa) و دیگری در دمای ثابت گازساز (°T=600 C)، در حالی‌که نتایج با توجه به تغییراتِ دو پارامتر دیگر بررسی می‌شوند. نتایج نشان داد بازده گازساز زمانی که کسر جرمی خوراک نزدیک به 30 درصد و دمای گازساز نزدیک به 500 درجه سلسیوس است، مقدار بیشینه‌ی حدود 81 درصد را اتخاذ می‌کند. همانند کسر مولی اجزاء، تغییرات فشار تغییرات قابل ملاحظه‌ای روی بازده ایجاد نمی‌کند.