نظر به احتراق پیش مخلوط در توربینهای گازی با نسبت سوخت به هوای فقیر در سالهای اخیر به عنوان یکی از روشهای دستیابی به استانداردهای زیست محیطی بطور گسترده پذیرفته شده است. با این حال سیستمهای احتراقی پیش مخلوط با مفاهیم مربوط به ناپایداری و مکانیزم های موثر بر وقوع آن معرفی می گردد. در ادامه مباحث به معرفی امکانات آزمایشگاه پرداخته لوازم استفاده شده دستگاه و روش آنالیز آکوستیک محفظه بیان می گردد و در انتهای این فصل مدار کلی دستگاه تست ناپایداری احتراق نمایش داده می شود. در ادامه این گزارش اقدام به تحلیل داده های ثبت شده از محفظه احتراق شده است بگونه ای که سیگنال مربوط به حالت پایدار و ناپایدار ارایه شده و با نتایج بدست آمده در آزمایشگاههای دیگر مقایسه می شود در ادامه این فصل اقدام به بررسی روش های آماری نظیر تابع چگالی احتمال شده و نشان داده می شود که با پیشروی در شرایط ناپایدار دامنه نوسانات فشاری تا حد مشخصی افزایش می یابد. با بیان تاثیر شرایط فیزیکی به عنوان پارامتری مهم در کنترل دامنه نوسانات فشاری نشان داده می شود که افزایش سرعت جریان ورودی باعث افزایش فرکانس و دامنه نوسانات می شود. در قسمت بعد نشان داده می شود که دامنه نوسانات فشاری ایجاد شده در هنگام ناپایداری به نسبت تعادل ارتباط داشته و با کاهش نسبت تعادل دامنه نوسانات افزایش می یابد. در ادامه با استفاده از روشهای آماری در تحلیل داده ها شرایط انتقال از حالت پایداری به ناپایداری بیان می گردد. بخش پایانی این فصل ارایه ببانی از رابطه رایلی بوده که نشان دهنده صحت داده های تجربی ثبت شده می باشد.

در این تحقیق به مطالعه شعله پس اختلاط counterflow در حالت جریان آرام پرداخته شده است. تحقیقات صورت گرفته در این پروژه را می توان به دو دسته تجربی و عددی تقسیم کرد. در قسمت تجربی، جهت انجام آزمایشات، مشعل counterflowطراحی و ساخته شده است. مشعل طراحی شده از دو تکه تشکیل شده که بصورت روبروی هم قرا گرفته اند. هر کدام از آنها شامل دو لوله هم محور با قطرهای مختلف می باشند که فاصله بین دو تکه را می توان تغییر داد. در آزمایشات انجام شده از ترموکوپل جهت اندازه گیری دما استفاده شده است. قسمت عددی بوسیله نرم افزار fluent انجام شده است. در هر دو قسمت عددی و آزمایشگاهی اثر عوامل مختلف، از قبیل رقیق سازی سوخت و هوا با گازهای نیتروژن و دی اکسید کربن به ازای دو سوخت گاز شهری و پروپان، در موقعیت و خاموش شدن شعله مورد بررسی قرار گرفته است. مطابق نتایج بدست آمده گاز دی اکسید کربن از قدرت رقیق سازی بالاتری نسبت به نیتروژن برخوردار می باشد. همچنین جهت بررسی صحت نتایج ارایه شده در هر قسمت، مقایسه با تحقیقات معتبر دیگر انجام شده است. نتایج آزمایشگاهی و عددی نیز مورد مقایسه قرار گرفته اند. تحقیقات انجام شده در این پروژه را می توان در موارد دیگر با تغییر در فاصله بین دو نازل و استفاده از هوای پیش گرم شده تکرار کرد.

امروزه به علت شرایط زیست محیطی، کاهش گازهای آلاینده حاصل احتراق یا اکسیدهای نیتروژن در توربینهای گازی یکی از فاکتورهای تعیین کننده در طراحی محقظه احتراق به حساب می آید. یکی از متداولترین تکنیکها برای کاهش گازهای آلاینده، استفاده از سیستم احتراقی پیش مخلوط با نسبت سوخت به هوای پایین می باشد. با این وجود, این سیستمها نسبت به انتشار ناگهانی شعله بداخل لوله پیش مخلوط یا برگشت شعله بسیار حساسند. لذا پیش بینی پدیده برگشت شعله می تواند در طراحی و کنترل شعله در اینگونه محفظه های احتراقی و جلوگیری از حوادث خطرآفرین موثر واقع شود.در این مطالعه که بصورت عددی انجام شده است، محدوده رگشت شعله وساختار شعله در ناحیه برگشته مورد بررسی قرار می گیرد. مدل ریاضی شامل معادلات بقای جرم، بقای ممنتوم، بقای انرژی و بقای اجزاء می باشد. احتراق نیز بصورت واکنش یک مرحله ای برای مخلوط متان و هوا فرض می شود. این مطالعه در دو مرحله انجام می شود، در مرحله اول تحلیل بصورت گذرا انجام شده تا جایی که شعله وارد لوله پیش مخلوط شود و گرادیان سرعت بحرانی(محدوده برگشت شعله) برای نسبت سوخت به هوا مختلف و در شعاعهای مختلف تیوب بدست آید. همچنین محدوده ای از جریان که به ازای آن شعله ناپایدار است نیز در این مرحله بدست می آید. در مرحله دوم با کاهش بیشتر نرخ جریان ورودی به محفظه، یک شعله برگشته در ناحیه پیش مخلوط نزدیک دیواره ایجاد می شود که با مطالعه شعله برگشته در داخل لوله پیش مخلوط، ساختار شعله برگشته در نزدیک دیواره بدست می آید. با توجه به اینکه پیش بینی برگشت شعله بصورت تجربی بسیار خطرناک است، مطالعه عددی آن می تواند در شناسایی هرچه بیشتر این پدیده و همچنین توسعه سیستمهای احتراقی پیش مخلوط مفید واقع شود.

انژکتورهای پیچشی دارای محاسن زیادی هستند که باعث شده است کاربرد زیادی در صنایع موشکی داشته باشند. در صورت استفاده از این انژکتورها اختلاط بین سوخت و اکسید کننده به نحو بسیار مناسب تری صورت می گیرد. این امر باعث بهبود کیفیت احتراق و کاهش ناپایداری احتراق می شود. از دیگر مزایای استفاده از این نوع انژکتورها کاربرد آنها در ساخت انژکتورهای دوپایه است. در این رساله اصول اساسی محاسبات انژکتورهای گریز از مرکز مورد اشاره قرار گرفته و بر اساس آن روش طراحی انژکتور پیچشی به صورت مرحله بندی شده، آورده شده است. سپس به کمک نتایج آزمایشگاهی مرحله بهینه سازی انجام شده است تا انژکتور طراحی شده به مقادیر مورد نظر طراح برسد و درستی فرایند طراحی اثبات گردد. بر اساس روش طراحی گفته شده در این رساله یک کد کامپیوتری تنظیم شده است که کار طراحی را انجام می دهد.

استفاده از وسایل پرنده کوچک بطور چشمگیری در چند سال اخیر توسعه یافته است. یکی از مهمترین وسایل پرنده کوچک، ریز پهپادها هستند. در طراحی آیرودینامیکی این پرنده ها، بزرگترین سهم به طراحی بال آنها اختصاص دارد. یافتن شکل مناسبی برای بال از اهمیت بسزایی برخوردار است. در این پروژه با بررسی چند پلنفرم مختلف، تاثیر شکل بال در جریان اعداد رینولدز پایین برای ریز پهپادها از میان چند پلنفرم مورد مطالعه معلوم می گردد. نتایج نشان می دهد که با کاهش ar ، شیب منحنی لیفت نیز مطابق پیش بینی تیوریهای آیرودینامیکی کاهش می یابد. پلنفرم زیمرمان معکوس و مستطیلی دارای کارایی بهتری نسبت به سایر پلنفرمهای بیضوی و زیمرمان هستند. درضمن پلنفرم زیمرمان معکوس در مقابل باد جانبی تاثیر کمتری می پذیرد. تاثیر لبه های بال بر روی ضرایب آیرودینامیکی نیز نشان داده می شود و همچنین اثر عدد رینولدز در ضرایب آیرودینامیکی نشان داده می شود. محاسبات cfd به کمک نرم افزار fluent-gambit بدست آمده و از طریق مقایسه با مقادیر تجربی موجود در سایر مقالات و نیز روابط آیرودینامیکی موجود ارزیابی می شود.

پژوهش انجام شده در این پایان نامه شامل دو قسمت عمده، تحلیلی و تجربی می باشد. در قسمت تحلیلی پژوهش انجام شده بر اساس توسعه تیوری نوسانات نسبت تعادل می باشد. در این قسمت یک محفظه احتراق از نوع پیش مخلوط با نسبت تعادل کمتر از یک بطور ریاضی مدل شده و برای این منظور یک کد کامپیوتری نوشته شده که توسط این کد کامپیوتری تاثیر پارامترهای عملکردی محفظه در ناپایداری احتراق مورد ارزیابی قرار گرفته شده است. نتایج تحلیلی بدست آمده با نتایج تحلیلی و تجربی دیگران و نتایج تجربی بدست آمده در این پژوهش مقایسه شده است که نتایج رضایت بخش می باشد. در قسمت بعد، برای مطالعه تجربی ناپایداری احتراق در مخلوطهای رقیق، یک محفظه احتراق پیش مخلوط به همراه میز آزمایش و سیستمهای تغذیه پیشران در دانشگاه صنعتی امیرکبیر طراحی و ساخته شده است. در این پژوهش از پروپان گازی به عنوان سوخت بهره گرفته شده و آزمایشات در فشار تقریبا? اتمسفریک و در نسبت تعادل کمتر از یک انجام شده است. ملاحظه گردیده است که در محدوده های نسبت تعادل کمتر از یک، محفظه احتراق موتور توربین گازی ساخته شده ناپایدار می شود. برای تشخیص ناپایداری محفظه احتراق در شرایط مختلف، از نمودارهای توابع چگالی، اسپکترال و منحنی توزیع فضایی نوسانات فشاری همراه با معیار رایلی استفاده شده است. تاثیر نسبت تعادل در پایدار کردن یک سیستم احتراقی ناپایدار و همچنین ناپایدار شدن یک سیستم پایدار نیز مورد بررسی تجربی قرار گرفته است، همچنین زمان تاخیر جابجایی برای هرکدام از آزمایشات انجام شده محاسبه شده و نتایج بدست آمده از این تحقیق با معیار رایلی سنجیده شده است. نتایج سنجش نشان می دهد که نتایج تجربی بدست آمده با نتایج تیوری مطابقت خیلی خوبی دارد و نتایج مقایسه، رضایت بخش می باشد. در نهایت خطاهای اندازه گیری مورد بحث و بررسی قرار گرفته و ارزیابی از میزان خطای ایجاد شده در آزمایشات تجربی بدست آمده که توسط این ارزیابی، تحلیل های تجربی اصلاح گردیده شد، بطوری که سعی گردید نتایج تجربی حداکثر میزان دقت قابل قبول را دارا باشند.

امروزه یکی از مهمترین معضلات سیستمهای احتراقی در سرعت بالا ، پایداری شعله می باشد که به صورت جدا شدن شعله از دهانه مشعل ظاهر می شود. یکی از روشهای پایدارسازی شعله ها، استفاده از جسم مانع می باشد. در جریان غیر پیش مخلوط جسم مانع، جسمی صلب است که با قرار گرفتن در بین جت سوخت و اکسید کننده و ایجاد ناحیه به گردش در آمده باعث اختلاط بهتر بین سوخت و اکسید کننده می شود. در این پایان نامه در قمت اول شعله پایدار شده غیر پیش مخلوط در محظه احتراق مجهز به جسم مانع، بصورت عددی مورد آنالیز قرار می گیرد. تاثیر سه مدل مختلف شیمیایی (نرخ محدود-..تابع دانسیته احتمال-تعادلی و تابع دانسیته احتمال-فیلم لت) با ثابت نگاه داشتن مدل توربولانس ( .. استاندارد) و همچنین تاثیر سه مدل مختلف توربولانس ( استاندارد ..و ..) با مدل شیمیایی ثابت تابع دانسیته احتمال –فلیم لت، بر پایه مکانیزم شیمیایی ..ذره ای برای سوخت متان / هیدروژن با حجمهای برابر مورد مطالعه قرار می گیرد و نتایج در سه ناحیه به گردش در آمده گلوگاهی و جت مانند بررسی شده است. در قسمت دوم این پایان نامه با روشهای عددی بنا شده، اثر جسم مانع در پایداری احتراق در شعله های نفوذی مورد مطالعه قرار می گیرد.

یکی از اهداف صنعت هوافضا، کاهش هزینه عملیات های فضایی به خصوص برای مقرون به صرفه کردن سفرهای فضایی به ماوراء جو از دیدگاه اقتصادی می باشد. موتورهای اسکرم جت به دلیل استفاده از اکسیژن موجود در جو به عنوان اکسید کننده ، موجب کاهش وزن موتور و در نتیجه کاهش هزینه های عملیاتی می گردند، لذا پیشرفت و توسعه این فناوری از اهداف مهم صنعت هوافضا به شمار می آید.ولی برخی مشکلات مانع صنعتی شدن این تکنولوژی شده است. یکی از مشکلات اساسی این نوع تکنولوژی ایجاد اشتعال و استفاده از یک شیوه مناسب برای پایداری شعله می باشد. با روشهای مختلفی می توان شعله پایدار نمود از جمله استفاده از پله و یا حفره که با ایجاد یک ناحیه گردابه ای محیط مناسبی پایدار نمودن شعله فراهم می نماید . اما برای ایجاد اشتعال در این شیوه ها به یک سیستم مجزا نیز نیاز دارد. این شیوه ها، شیوه های غیر فعال می نامند. جت پلاسما یک شیوه نوین محسوب می شود که ضمن ایجاد اشتعال یک شرایط مناسب برای پایداری شعله نیز فراهم می آورد.در این پروژه به مطالعه عددی جت پلاسما و تاثیر آن روی ایجاد اشتعال و پایداری شعله هیدروژن پرداخته شده است. در این راستا تاثیر نوع گاز مصرفی جت پلاسما ، مکان تزریق جت پلاسما نسبت به مکان تزریق جت سوخت ، افزایش توان الکتریکی ورودی جت پلاسما و استفاده همزمان از دو جت پلاسما روی پایداری شعله مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تاثیر استفاده همزمان از پله و جت پلاسما را روی پایداری شعله بررسی کرده و در این راستا افزایش ارتفاع پله نیز مورد مطالعه عددی قرار گرفته است. برای مطالعه عددی از یک کد عددی، از روش تی وی دی ضمنی بالادستی با دقت مرتبه دو به همراه روش مشخصه های محلی به منظور شبیه سازی جریان غیر دایم و چند بعدی سیال توام با واکنش شیمیایی در دستگاه مختصات منحنی الخط عمومی استفاده شده است. برای شبیه سازی جریانهای توربولانس از مدل توربولانس بالدوین – لومکس استفاده شده است.

تلاش این مجموعه بررسی تکنیک هایی است که به منظور یافتن مقادیر بهینه ی ضرایب نرخ واکنش برای یک مکانیزم واکنش داده شده مورد استفاده قرار می گیرند. هر چند روش های گرادیانی به خوبی مورد استفاده قرار می گیرند اما این مجموعه بر روی الگوریتم های تکاملی هوشنمند که در سالهای اخیر به وجود آمده اند و عملکرد بهتری نسبت به روش های کلاسیک دارند تمرکز می کند. بر خلاف روش های سنتی با پایه ی گرادیانی، یکی از مهمترین خصوصیات تکنیک های هوشمند محاسباتی مانند الگوریتم ژنتیک، توانایی و قابلیت اجرایی آن در مواجهه با اطلاعات مخدوش و نامناسب و آمیخته به اختلالات است. در این روشها، کمترین تلاش انسانی و حداقل دانش در رابطه با جزییات مکانیزم های شیمیایی نیاز است تا مقادیر بهینه برای ضرایب نرخ واکنش تولید شوند در این مجموعه، کاربرد الگوریتم ژنتیک در سیستم های شیمیایی که احتراق متان را پوشش می دهند، نشان داده می شود.

در پروژه حاضر به مطالعه تجربی و عددی اثر رقیق سازی و پیش گرم اکسیژن بر ساختار شعله نفوذی پروپان و گاز طبیعی پرداخته شده است. قسمت تجربی به دوبخش مجزا تقسیم شده است. بخش اول به مطالعه اثر رقیق سازی و پیش گرم اکسیدکننده اکسیژن روس ساختار شعله نفوذی آرام گاز طبیعی و پروپان پرداخته شده است. در این قسمت مشاهده شد که رقیق سازی سبب کاهش درجه حرارت ماگزیمم شعله و کاهش پایداری و در نهایت برخاستگی و فرار شعله میشود. پیش گرم کردن جریان اکسیدکننده همراه با رقیق سازی همزمان آن با گازهای دی اکسید کربن و نیتروژن سبب پایداری بیشتر نسبت به فرآیند رقیق سازی میشود. پیش گرم جریان اکسیدکننده سبب بالاتر رفتن ماکزیمم درجه حرارت شعله نیز میشود. در بخش دوم به مطالعه تجربی روی ساختار شعله دیفیوژن در جریان گذار و توربولنت پرداخته شده است. مشاهده شد که با افزایش عدد رینولدز سوخت در امتداد شعله آرام یک نقطه گذار مشاهده میشود که در پایین دست آن، شعله وارد فاز توربولنت میشود. در نقطه گذار به علت بالا رفتن ناگهانی نرخ انتقال جرم و حرارت منطقه واکنش گسترش ناگهانی دارد. با افزایش عدد رینولدز جریان سوخت، به مرور نقطه گذار به سمت نازل سوخت نزدیک میشود. تا اینکه سرانجام به نقطه ای میرسد که دیگر افزایش عدد رینولدز جریان سوخت تاثیری روی مکان نقطه گذار ندارد. در آزمایشات در محدوده جریان گذرا و توربولنت دو حد مجزای پایداری مشاهده شد. اولین مورد جدایش شعله است که بسیار آشنا است. مورد دوم، خاموشی قسمت توربولنت شعله در نقطه گذار از جریان آرام به توربولنت است. در قسمت عددی هم بوسیله یک کد عددی آزمایشات شعله آرام گاز طبیعی مدل شده است. در درصدهای پایین رقیق سازی انطباق خوبی بین نتایج حاصل از کار عددی با نتایج تجربی ملاحظه میشود. با افزایش درصد رقیق سازی نتایج عددی از کار تجربی فاصله میگیرد که این مورد به علت استفاده از مکانیزم کلی برای احتراق متان است که بدلیل نادیده انگاشتن تولید و مصرف اجرای میانی در احتراق سبب انحراف از نتایج تجربی میشود. ثابت در نظر گرفتن ضریب نفوذ جرمی مخلوط هم عامل دیگری است که در درصدهای بالای رقیق سازی سبب انحراف از نتایج تجربی میشود.

در این تحقیق، روش شبکه های عصبی مصنوعی برای مدلسازی فرآیند احتراق متان – هوا مورد استفاده واقع شده است. در بخش اول، از شبکه های عصبی مصنوعی برای مدلسازی تغییرات زمانی گونه های شیمیایی در احتراق متان - هوا استفاده شده است و در بخش دوم از شبکه عصبی برای مدلسازی محفظه احتراق توربین گاز با شعله مغشوش پس مخلوط متان- هوا استفاده شده است. توانایی این شبکه ها در تخمین کمیات شیمیایی و مقادیر مختلف میدان جریان نشان داده شده است. هدف، به دست آوردن مدلی برای توزیع شعاعی مشخصات مختلف شعله مغشوش، مانند دما و کسر جرمی گونه های شیمیایی در مقاطع مختلف محفظه احتراق توربین گاز می باشد. شبکه عصبی مصنوعی، یک سیستم با ساختار دینامیکی موازی می باشد و مدلسازی بوسیله شبکه عصبی مصنوعی، آموزش دادن سیستم محاسباتی برای درک قوانین حاکم بر فیزیک مسیله و تولید یک مدل می باشد. در واقع هدف مدل، تولید یک نسخه تخمینی از سیستم واقعی می باشد که خصوصیات اصلی سیستم در آن حفظ شده باشد. از آنجا که شبکه عصبی در مرحله آموزش برای سازگار نمودن ضرایب وزنی خود نیازمند الگوهای آموزشی ورودی- خروجی می باشد، روش تابع احتمال دانسیته برای محاسبه مشخصات شعله و در نتیجه به دست آوردن الگوهای آموزشی به کار گرفته شده است. در رهیافت تابع احتمال دانسیته، فرض شیمی تعادلی برای احتراق در نظر گرفته شده است که به معنی وجود واکنشها و گونه های شیمیایی میانی در واکنش سوخت و اکسیدکننده می باشد. الگوریتم مورد استفاده برای آموزش شبکه از نوع خطای پس انتشار با سرپرست می باشد. شبکه عصبی مورد استفاده از نوع پیشخور با دو لایه پنهان می باشد که برای استحصال شبکه بهینه، شبکه های مختلفی با تعداد لایه های پنهان متفاوت مورد استفاده واقع گردیده و شبکه با بهترین عملکرد، چه به لحاظ ساختار و چه به لحاظ میزان دقت خطا مورد استفاده قرار گرفته است.