شبیه‌سازی عددی غیرواکنشی تزریق همزمان سوخت و آب در موتور دیزل دریایی

به گزارش مارین نیوز، این پایان نامه، توسط هاشم نوروزی در مقطع کارشناسی ارشد رشته مهندسی دریا - گرایش هیدرومکانیک کشتی از دانشکده مهندسی دریا دانشگاه صنعتی امیرکبیر با استاد راهنمایی دکتر پرویز قدیمی در شهریور ماه 93 ارائه گردیده است. 

موتورهای دیزل دریایی به دلیل بازدهی بالا و مصرف سوخت مناسب، به عنوان یکی از محبوب‌ترین موتورهای مورد استفاده در صنایع دریایی قلمداد می‌شود. با این‌حال به دلیل آلایندگی زیاد این قبیل موتورها، همواره قوانین سخت‌گیرانه‌ای از سوی جوامع بین‌المللی در حال وضع‌شدن می‌باشد. یکی از ارزان‌ترین و موفق‌ترین شیوه‌های کاهش آلایندگی موتورهای دیزل، استفاده از امولسیون سوخت‌سنگین با آب است. عملکرد فواره سوخت در شرایط غیراحتراقی مهم‌ترین عامل تأثیرگذار در بازدهی و شکل‌گیری آلایندگی موتورهای دیزل به حساب می‌آید. امّا تأثیر استفاده از سوخت‌های امولسیون‌شده بر روی فواره سوخت در حالت غیراحتراقیِ موتور دیزل به خوبی مشخص نمی‌باشد.

براساس مطالب فوق‌الذکر، در مطالعه حاضر، به صورت عددی، مشخصه‌های غیراحتراقی فواره امولسیون آب در سوخت‌سنگین در شرایط محیطی متفاوتِ تزریق و محفظه احتراق، مورد مطالعه قرار گرفته است. برای این هدف، سه درصد حجمی متفاوت آب شامل 5%، 15% و 20% در سوخت‌سنگین در مقایسه با سوخت‌سنگین خالص مدنظر قرار گرفته است. علاوه بر این، تأثیر فشار تزریق از مقادیر متوسط با مقدار60 مگاپاسکال تا مقدار قوی 300 مگاپاسکال بر روی فواره سوخت امولسیون‌شده در محفظه احتراق حجم ثابت، مورد مطالعه قرار گرفته است. همچنین، تأثیر سه پس‌فشار متفاوت از 1 مگاپاسکال تا 2.8 مگاپاسکال و دو دمای محیطی متفاوت 298 کلوین و 498 کلوین بر روی فواره سوخت امولسیون‌شده بررسی شده است. برای این هدف، پس از ریخت‌شناسی فواره سوخت، مشخصه‌های خرد و کلان فواره شامل طول نفوذ فواره مایع، زاویه مخروطی، حجم فواره و میانگین قطر ذرات سوخت اندازه‌گیری شده است. نرم‌افزار متن‌باز اوپن‌فوم با رویکرد اویلری-لاگرانژی برای شبیه‌سازی اندرکنش فاز گسسته سوخت با فاز پیوسته هوا به کار گرفته شده است. همچنین الگوی ترکیبیKH-RT برای شبیه‌سازی تجزیه اولیه و ثانویه سوخت مایع و الگوی استاندارد   برای آشفتگی در نظر گرفته شده است. نتایج محاسباتی پس از مطالعه حساسیت شبکه‌بندی و انتخاب شبکه‌بندی مناسب، با داده تجربی موجود برای سوخت‌سنگین و امولسیون 18% آب در دیزل، صحه‌گذاری شده است. بر پایه نتایج محاسباتی استخراج شده، طول نفوذ بلندتر، زاویه مخروطی پهن‌تر وحجم فواره چاق‌تری برای سوخت امولسیون‌شده در مقایسه با سوخت‌سنگین بدست آمده است. این شرایط با افزایش درصد حجمی آب در امولسیون نیز بهبود می‌یابد. با این حال، میانگین قطر ذرات در حالت استفاده از سوخت امولسیون‌شده افزایش می‌یابد. همچنین، بهبود مشخصه‌های خرد و کلان فواره سوخت امولسیون‌شده در فشار تزریق قوی‌تر، دمای محیطی گرم‌تر و پس‌فشار کمتر نیز مشاهده شده است. به طور کلی، این نتیجه استخراج گردید که، امولسیون آب-سوخت‌سنگین با درصد حجمی20% آب در فشار تزریق300 مگاپاسکال، پس‌فشار 1 مگاپاسکال و دمای محیطی 498 کلوین، در میان حالات تحلیل‌شده در مطالعه حاضر، مناسب‌ترین مخلوط سوخت-هوا را از نظر همگنی و فرآیند ریزسازی را برای شرایط غیراحتراقی در داخل محفظه احتراق مهیا می‌سازد.

مشخصه‌های غیراحتراقی فواره، امولسیون آب-سوخت‌سنگین، تجزیه قطرات سوخت، اوپن‌فوم، فشار تزریق بالا، پس‌فشار، دمای محیطی.