بررسی عددی تأثیر میدان مغناطیسی بر شعلة هیدروژن

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 عضو هیات علمی / دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

2 دانشجوی کارشناسی ارشد / دانشکده هوافضا، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی

چکیده

در این مقاله، تأثیر میدان مغناطیسی بر شعلة نفوذی هیدروژن (کسر حجمی 0/3 هیدروژن و 0/7 نیتروژن) بر پارامترهایی چون شکل شعله، حرارت تولیدشده در اثر واکنش و میزان هیدروژن نسوخته در محصولات احتراق مورد بررسی قرار می‌گیرد. برای این منظور میدان مغناطیسی با مقادیر 0/5، 1، 1/5، 2، 3 و 4 تسلا به‌طور مستقیم بر شعله اعمال و مشاهده می‌شود که با اعمال میدان مغناطیسی شکل شعله کوچکتر شده و ارتفاع آن کاهش می‌یابد. همچنین مقدار هیدروژن نسوخته در محصولات احتراق که در Y=1 میلی‌متر اندازه‌گیری شده، کاهش می‌یابد. با اعمال میدان مغناطیسی در جریان، نیروی لورنتس تولید می‌شود که با جهت جریان مخالفت می‌کند. نیروی لورنتس ایجادشده خود سبب تغییر در شکل شعله، حرارت تولیدشده در اثر واکنش و محصولات احتراق می‌شود. به‌عبارت دیگر این نیرو سبب برگشت هیدروژن نسوخته به‌سمت شعله می‌شود. همچنین مقدار حرارت تولیدشده در اثر واکنش با افزایش میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد و شعله نیز کوچکتر می‌شود. این نتایج اثبات می‌کند که اعمال میدان مغناطیسی بر شعله سبب احتراق کامل‌تر و بهینه‌تر می‌گردد. گفتنی است برای اعمال تأثیر میدان مغناطیسی بر معادلات حاکم (نیروی لورنتس و نرخ گرمایش ژول)، از برنامه‌نویسی سی. استفاده شده است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Numerical investigation of magnetic field effect on hydrogen flame

نویسندگان [English]

  • Hossein Mahdavy Moghaddam 1
  • Javad Hosseinpour 2
چکیده [English]

In this article, effect of magnetic field on hydrogen diffusion flame (30% hydrogen volume fraction and 70% nitrogen volume fraction) in terms of flame shape, heat of reaction source and amount of unburnt hydrogen in products parameters is investigated. The magnetic field is applied directly to the flame region for the magnitude of 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, and 3 tesla. It is found that the flame shape and the flame height become smaller with the application of magnetic field. It is also found that the magnetic field reduces the obtained unburnt hydrogen quantity at Y=1 mm. In fact, magnetic field presence produces Lorentz force which opposes the flow direction. Consequently, the more the magnitude of magnetic field, the more the reaction source heat and the shorter the flame height will become. These results represent that the magnetic field causes more complete combustion and less pollutant production. It is noted that magnetic field effect on governing equations, Lorentz force and Joule heating are added to the momentum and energy equation respectively by using C programming.

کلیدواژه‌ها [English]

  • combustion
  • hydrogen flame
  • Magnetic field
  • magnetohydrodynamics (MHD)

[1] Wakayama, N. I. "Magnetic Promotion of Combustion in Diffusion Flames." Combustion and Flame, vol. 93, 1993, pp. 207-214.

[2] Lawton, J., F. J. Weinberg. "Electrical Aspects of Combustion." Clarendon, Oxford, 1969, pp. 336-340.

[3] Baker, J., R. Varagani, K. Saito. "Models and Experiments of Laminar Diffusion Flames in Non-Uniform Magnetic Fields," NASA, 2003, pp. 317-320.

[4] Swaminathan, S. "Effects of Magnetic Field on Micro Flames", Master of Science Thesis, Louisiana State University, 2005.

[5] Khaldi, F., K. Messadek, A. M. Benseelama. "Isolation of gravity Effects on Diffusion Flames by Magnetic Field," Microgravity Science Technology, vol. 22, 2010, pp. 1-5.

[6] Legros, G., T. Gomez, M. Fessard, T. Gouache, T. Ader, P. Guibert, et al. "Magnetically Induced Flame Flickering", Proceedings of the Combustion Institute, vol. 33, 2011, pp. 1095-1103.

[7] Gilard V., P. Gillon, J. N. Blanchard, B. Sarh. "Influence of Horizontal Magnetic Field on a Co-flow Methane/Air Diffusion Flame." Combustion Science and Technology, vol. 180, 2008, 1920-1935.

[8] Gillon P., J. N. Blanchard, V. Gilard. "Magnetic Field Influence on Coflow Laminar Diffusion Flames," Russian Journal of Physical Chemistry B, vol. 4, 2010, pp. 279-285.

[9] Sarh, B., P. Gillon, V. Gilard, E. Bodele. "Lengths of Lifted Laminar Flames under Vertical Magnetic Field Gradient," Combustion Science and Technology, vol. 186, 2014, pp. 1422-1433.

[10] Baker, J., M. E. Calvert. "A study of the characteristics of slotted laminar jet diffusion flames in the presence of magnetic fields." Combustion and flame, vol. 133, 2003, pp. 345-357.

[11] Wu, W., J. Qu, K. Zhang, W. Chen, B. Li. "Experimental Studies of Magnetic Field on Methane Laminar Combustion Characteristics." Combustion Science and Technology, 2015.

[12] Kinoshita, S., T. Takagi, H. Kotera, N. I. Wakayama. "Numerical Simulation of Diffusion Flames with and without Magnetic Field." IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 14, 2004, pp. 1685-1688.

[13] John, J. E. A. Gas Dynamics, Pearson, 1984.

[14] "ANSYS FLUENT Magnetohydrodynamics (MHD) Module Manual v.14," 2011.

[15] Huang, H. L., A. Ying, M. A. Abdou. "3D MHD free surface fluid flow simulation based on magnetic-field induction equations." Fusion Engineering and Design, vol. 63-64, 2002, pp. 361-368.