چکیده
ناپایداری ترموآکوستیک، به ناپایداری احتراق حاصل از اندرکنش امواج صوتی و شعله اطلاق می?شود، که می¬تواند منجر به خاموشی شعله در مشعل¬ها و محفظه¬ی احتراق و تخریب تجهیزات شود. بررسی فیزیک حاکم بر این مسئله و عوامل موثر در کنترل ناپایداری شعله، حائز اهمیت است. در پژوهش حاضر، اندرکنش شعله و امواج آکوستیک هم برای شعله¬ی آرام و هم برای شعله¬ی آشفته مورد بررسی قرار گرفته است. ابتدا شعله¬ی پیش آمیخته¬ی آرام متان-هوا به¬صورت یک بعدی و امواج صوتی با فرکانس 50 الی 50000 هرتز در نظر گرفته شده است. معادلات بقای جرم، مومنتوم، انرژی، انتقال گونه¬های شیمیایی، معادله¬ی حالت در فضای یک بعدی حل شده است. مکانیزم¬های مختلف GRI و کاهش یافته¬ی آن برای به¬دست آوردن شعله¬ی پایای بدون امواج صوتی و شعله¬ی ناپایا با اندرکنش امواج صوتی در نظر گرفته شده است. نرخ گرمای آزاد شده-ی کل برای شعله برحسب فرکانس امواج صوتی تغییر می¬کند، به¬صورتی که ابتدا روندی افزایشی و سپس کاهشی دارد. نتایج به¬دست آمده برای نرخ گرمای آزاد شده¬ی کل، با نتایج محققان دیگر مطابقت خوبی دارد. نرخ گرمای آزاد شده¬ی کل، متاثر از نرخ گرمای آزاد شده¬ی گونه¬های مختلف شیمیایی است. بنابراین در پژوهش حاضر، اثر هر کدام از گونه¬های شیمیایی بر نرخ گرمای آزاد شده¬ی کل مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به معیار ناپایداری رایلی و نتایج پژوهش حاضر، گونه¬های شیمیایی H2O، CO2 و O2 بیشترین سهم در نرخ گرمای آزاد شده¬ی کل را داشته و موجب ناپایداری شعله می¬شوند. از میان سه گونه شیمیایی ذکر شده، گونه H2O بیشترین تاثیر را در نرخ گرمای آزاد شده¬ی کل دارد و مکانیزم شیمیایی مناسب برای مسئله¬ی اندرکنش شعله و امواج صوتی، مکانیزمی است که توانایی بهتری در تخمین صحیح نرخ واکنش و غلظت H2O داشته باشد. مسئله¬ی اندرکنش امواج صوتی با شعله¬ی آشفته نیز در پژوهش حاضر بررسی شده است. معادلات ناویر استوکس به همراه معادلات مدل ¬پیش¬آمیخته¬ی جزئی با شبیه¬سازی گردابه¬ی بزرگ انجام شده است. نتایج نشان می¬دهد با افزایش دامنه¬ی امواج صوتی تا حدود 65 درصد، دامنه¬ی نرخ گرمای آزاد شده در فرکانس 40 و 160 هرتز حدود 70 درصد افزایش می¬یابد. تغییر دامنه¬ی نرخ گرمای آزاد شده با دامنه¬ی امواج صوتی در فرکانس امواج صوتی 40 هرتز، رفتار خطی و در فرکانس 160 هرتز ابتدا رفتار خطی و سپس رفتار غیرخطی دارد. تا هنگامی که گردابه¬ی بزرگی در لایه¬ی برشی تشکیل نشود، رفتار نرخ گرمای آزاد شده با دامنه¬ی امواج صوتی، خطی است، ولی با تشکیل گردابه¬های¬ بزرگ در فرکانس 160 هرتز، رفتار غیر خطی می¬شود. در اثر اندرکنش شعله و امواج صوتی با دامنه¬ی بالا و فرکانس هم مرتبه با فرکانس گردابه¬های لایه¬ی برشی، شعله¬ی قارچی شکل شده و باعث غیر خطی شدن رفتار دامنه¬ی نرخ گرمای آزاد شده می¬شود. در ناحیه¬ی غیرخطی، اثر خواص سیال و مقیاس زمانی مسئله، حائز اهمیت است. متغیر بودن خواص سیال شامل لزجت و رسانندگی گرمایی با دما در ناحیه¬ی خطی، تاثیر اندک و در ناحیه¬ی غیرخطی تاثیر قابل توجه در نتایج دارد. همچنین مقیاس زمانی احتراقی از مرتبه ?10?^(-5) ثانیه، کوچکترین مقیاس زمانی مسئله بوده و برای حصول نتایج با دقت بالا، نیاز است گام زمانی حداقل یک مرتبه کوچکتر از مقیاس زمانی احتراقی انتخاب شود.

کلمات کلیدی: اندرکنش شعله و امواج صوتی، شبیه¬سازی عددی، ناپایداری ترموآکوستیک، معیار ناپایداری رایلی، شبیه¬سازی گردابه¬ی بزرگ.