بررسی عددی دقت مدل‌های آشفتگی k-ε و k-ω در شبیه‌سازی محفظه احتراق بدون شعله

احتراق بدون شعله به عنوان یکی از جدیدترین روش‌های احتراق به منظور کاهش آلاینده‌های زیست محیطی و افزایش بازده در سیستم‌های احتراقی شناخته می‌شود. با این وجود انتخاب پارامترهای مناسب برای استفاده از این فناوری در موقعیت‌های مختلف، از طریق آزمایش یا شبیه‌سازی به دست می­آید. یکی از چالش­های اصلی در شبیه­سازی احتراق بدون شعله، که در زیر مجموعه­ی احتراق‌های آشفته قرار می‌گیرد، انتخاب مدل آشفتگی مناسب برای شبیه­ سازی است. در اغلب شبیه‌سازی‌ها از مدل آشفتگی k-ε و مدل دیواره استاندارد استفاده شده است، اما بایستی توجه داشت شبیه‌سازی‌های صورت گرفته برای مشعلی بوده که در ناحیه واکنش آن هیچ دیواری وجود نداشته است؛ اما زمانی که شبیه‌سازی در یک محیط بسته ماننده کوره صورت می‌گیرد رژیم جریان نزدیک دیواره اهمیت بسزایی پیدا می‌کند به گونه‌ای که انتخاب مدل آشفتگی و دیواره مناسب در نتیجه نهایی اثر بسزایی دارد. در این پژوهش سعی شده است ضمن مطالعه کلی روی فیزیک جریان­های آشفته و استخراج روابط مدل­ های عددی مختلف، انواع توابع و مدل‌های دیواره در دو مدل آشفتگی k-ε  و k-ω مورد بررسی قرار گرفته‌اند و در نهایت سه مدل به نام‌های، تابع دیواره استاندارد، معادله دیوار منتر-لچنر و k-ω sst با یکدیگر مقایسه شده‌اند. نتایج نشان می ­دهد بیشترین خطا در مدل منتر-لچنر نسبت به نتایج آزمایشگاهی برابر با 5 درصد است در حالی که در مدل k-ω sst بیشترین خطا برابر 14 درصد است که بدترین نتایج را نسبت به سایر مدل‌های بررسی شده دارد.  بنابراین بر اساس دقت و نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی می‌توان مدل منتر-لچنر را مدل مناسب­تری نسبت به مدل دیوار استاندارد و k-ω sst در شبیه‌سازی‌های احتراق بدون شعله درون محفظه بسته دانست.

investigation of accuracy and precision of k-ω and k-ε turbulence models in the furnace with the flameless combustion mode

flameless combustion is one of the newest combustion methods aimed at reducing environmental pollutants and increasing efficiency in combustion systems. however, the selection of appropriate parameters for utilizing this technology in various situations is determined through experimentation or simulation. one of the main challenges in simulating flameless combustion, which is classified as turbulent combustion, is choosing the appropriate turbulence model for the simulation. most simulations employ the k-ε turbulence model along with the standard wall model; however, it is important to note that the simulations were conducted for a burner that had no walls in its reaction zone. when simulations occur in a confined environment like a furnace, the flow regime near the walls becomes significantly important, meaning that the choice of turbulence and wall models greatly influences the final results. this research focuses on exploring the physics of turbulent flows and establishing relationships from various numerical models. it investigates different wall functions and models within the k-ε and k-ω turbulence models, ultimately comparing three models:the standard wall function, the menter-lechner wall function, and the k-ω sst model. the results indicate that the maximum error in the menter-lechner model relative to experimental results is 5%, while the maximum error for the k-ω sst model is 14%, marking it as the least effective among the models studied. therefore, based on accuracy and theflameless combustion is one of the newest combustion methods aimed at reducing environmental pollutants and increasing efficiency in combustion systems. however, the selection of appropriate parameters for utilizing this technology in various situations is determined through experimentation or simulation. one of the main challenges in simulating flameless combustion, which is classified as turbulent combustion, is choosing the appropriate turbulence model for the simulation. most simulations employ the k-ε turbulence model along with the standard wall model. however, it is important to note that the simulations were conducted for a burner that had no walls in its reaction zone. when simulations carry out in a confined environment like a furnace, the flow regime near the walls becomes significantly important, meaning that the choice of turbulence and wall models greatly influences the final results. this research focuses on exploring the physics of turbulent flows and establishing relationships from various numerical models. it investigates different wall functions and models within the k-ε and k-ω turbulence models, ultimately comparing three models: the standard wall function, the menter-lechner wall function, and the k-ω sst model. the results indicate that the maximum error in the menter-lechner model relative to experimental results is 5%, while the maximum error for the k-ω sst model is 14%, marking it as the least effective among the models studied. therefore, based on accuracy and the results obtained from simulations, the menter-lechner model is deemed more suitable than the standard wall model and the k-ω sst model for flameless combustion simulations in closed chambers.results obtained from simulations, the menter-lechner model is deemed more suitable than the standard wall model and the k-ω sst model for flameless combustion simulations in closed chambers.