ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΙΣΟΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΩΝ ΕΣΜΩΝ ΑΕΡΑ

ΡΟΗ 2, Ερευνητικές ραστηριότητες στα Φαινόµενα Ροής Ρευστών στην Ελλάδα Πάτρα, 2-3 Οκτωβρίου 2, σ. 254-261 ΑΛΛΗΛΕΠΙ ΡΑΣΗ ΙΣΟΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΩΝ ΕΣΜΩΝ ΑΕΡΑ Α.Βούρος, Α.Γιανναδάκης, Θ.Πανίδης Εργαστήριο Τεχνικής Θερµοδυναµικής, Τµήµα Μηχανολόγων και Αεροναυπηγών Μηχανικών, Πανεπιστήµιο Πατρών, 265 Πάτρα-Ρίο Τηλέφωνο: 6-996163, e-mail: alvouros@mech.upatras.gr ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην εργασία αυτή παρουσιάζονται τα πρώτα αποτελέσµατα διερεύνησης της αλληλεπίδρασης ισχυρής και αδύνατης δέσµης (τζετ ) µε εφαρµογή σε συστήµατα καύσης και στόχο την αύξηση της απόδοσης και την ελαχιστοποίηση των παραγόµενων ρύπων. Παρουσιάζονται αποτελέσµατα από την υπολογιστική διερεύνηση της επίδρασης της κλίσης του δευτερεύοντος ακροφυσίου και του λόγου παροχής ορµής στο παραγόµενο ροϊκό πεδίο και στους µηχανισµούς της µίξης. Τα συµπεράσµατα της διερεύνησης αυτής θα αποτελέσουν τη βάση για τον σχεδιασµό αντίστοιχης πειραµατικής διάταξης και σηµείο αναφοράς για την σύγκριση µε τα πειραµατικά αποτελέσµατα. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Γενικά, οι φλόγες διάχυσης µε απευθείας έγχυση παρουσιάζονται σε πολλές βιοµηχανικές εφαρµογές όπως είναι οι κλίβανοι τήξης στην υαλουργική τεχνολογία, η καύση του άνθρακα ή άλλων στερεών καυσίµων, όπως επίσης και οι θάλαµοι καύσης σε κινητήρες αεροσκαφών. Βασικό πλεονέκτηµα αυτών των διατάξεων είναι η επίτευξη χαµηλότερων θερµοκρασιών µέσα στον καυστήρα µέσω του ελέγχου της µίξης αέρα και καυσίµου, µε αποτέλεσµα την αύξηση της απόδοσης της καύσης, αλλά και τη µείωση των εκπεµπόµενων ρύπων, σε σχέση κυρίως µε τα οξείδια του αζώτου (ΝΟ Χ ). Λόγω των αυξηµένων απαιτήσεων της βιοµηχανίας σε σχέση µε την απόδοση της καύσης και την εφαρµογή αυστηρών µέτρων για την µείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων µέσω της πρόσφατης νοµοθεσίας (Miller 1994 ), η ανάπτυξη καυστήρων µε απευθείας έγχυση αποτελεί πεδίο µελέτης πολλών ερευνητικών προσπαθειών. Μια από τις σηµαντικότερες διατάξεις καύσης που έχουν αναπτυχθεί τα τελευταία χρόνια και παρουσιάζουν αρκετά πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τις κλασσικές διατάξεις παραγωγής προαναµιγµένων φλογών είναι οι διατάξεις «σταδιακής καύσης» (Lefevbre 1983). Ο έλεγχος των εκποµπών σε αυτές τις εφαρµογές πραγµατοποιείται µέσω του ελέγχου της αναλογίας καυσίµου-αέρα (Τurns 1996). Γενικά η καύση σε αυτήν την περίπτωση ολοκληρώνεται σε τρία στάδια. Στο πρώτο γίνεται καύση µε πλούσιο µίγµα το οποίο καίγεται σε σχετικά χαµηλή θερµοκρασία έτσι ώστε η παραγωγή των οξειδίων του αζώτου να παραµένει σε χαµηλά επίπεδα. Στο δεύτερο στάδιο προβλέπεται η ταχεία και οµογενής µίξη του καιγόµενου µίγµατος µε περίσσεια αέρα και ταυτόχρονη ψύξη, ενώ στο τελικό στάδιο η καύση ολοκληρώνεται µε περίσσεια οξειδωτικού σε ένα πτωχό από καύσιµο µίγµα. Αρκετές είναι οι εργασίες που σχετίζονται κυρίως µε το µεσαίο τµήµα της σταδιακής καύσης (quick quench), όπου στο κύριο ρεύµα αέρα του καιγόµενου µίγµατος προστίθεται υπό τη µορφή τζετ αέρα (Kalogirou 1996, 1997,1999). Η εφαρµογή της τεχνικής αυτής σε θαλάµους καύσης κινητήρων αεροσκαφών παρουσιάζει το πλεονέκτηµα ότι η υλοποίηση των σταδίων µπορεί να βασιστεί στην κατάλληλη διαµόρφωση του θαλάµου καύσης. Ωστόσο στις περισσότερες βιοµηχανικές εφαρµογές η µέθοδος είναι δύσκολο να εφαρµοστεί καθώς η γεωµετρία του θαλάµου καύσης υπαγορεύεται από άλλους παράγοντες, όπως για παράδειγµα η προστασία των υλικών από τα υψηλά θερµικά φορτία, σε βιοµηχανικούς φούρνους. Έτσι, η διαδικασία της ταχείας και οµογενούς ψύξης και ανάµιξης επιχειρείται να πραγµατοποιηθεί µε κατάλληλη επίδραση δευτερογενών ροών επί της φλόγας. Η ανάπτυξη της µεθόδου βρίσκεται σε συνεχή εξέλιξη, ωστόσο όλες οι προσπάθειες διερεύνησής της βασίζονται στον έλεγχο της αλληλεπίδρασης δύο ισοθερµοκρασιακών τζετ. Οι διατάξεις που µελετήθηκαν µέχρι σήµερα έχουν σαν στόχο τη µελέτη της επίδρασης της γεωµετρίας των ακροφυσίων και της µεταξύ τους γωνίας και απόστασης, και το µέγεθος του θαλάµου καύσης, καθώς τα παραγόµενα ροϊκά πεδία φαίνεται να

διαφέρουν ανάλογα µε το αν υπάρχουν ή όχι τοιχώµατα που τα περιορίζουν (Hussein et al. 1994). Στις εργασίες που αναφέρονται στην αλληλεπίδραση παράλληλων επίπεδων τζετ (Tanaka 1974, Yuu et al. 1979, Elbanna et al. 1982, Lin and Sheu 199 ) τα χαρακτηριστικά του ροϊκού πεδίου αποτυπώνονται λεπτοµερώς και τα αποτελέσµατα δείχνουν ότι ο περιβάλλοντας αέρας παρασύρεται από τη ροή των δεσµών σε µεγαλύτερες ποσότητες σε σύγκριση µε την περίπτωση µίας µόνο δέσµης. Παρόµοια είναι τα αποτελέσµατα των εργασιών που αναφέρονται στην αλληλεπίδραση παράλληλων κυλινδρικών τζετ (Okamoto et al. 1985, Moustofa 1994). Ακόµα, στη βιβλιογραφία υπάρχουν εργασίες, όπου οι δύο δέσµες βρίσκονται σε κάποια γωνία µεταξύ τους έτσι ώστε να συγκρούονται σε κάποιο σηµείο (Wang et al. 1993, Grandmaison et al. 1998, Yimer et al 1). Σε µία από τις πιο σηµαντικές εργασίες (Anacleto et al 1996 ) η µοντελοποίηση της σταδιακής καύσης πραγµατοποιείται µέσα σε ένα κατάλληλα διαµορφωµένο θάλαµο, παρόµοιας γεωµετρίας µε ένα θάλαµο καύσης αεροπορικού κινητήρα. Παρουσιάζονται µετρήσεις των αξονικών, εφαπτοµενικών και ακτινικών µέσων και τυρβωδών συνιστωσών της ταχύτητας, σε µια προσπάθεια ανάλυσης της επίδρασης του στροβιλισµού αλλά και της αραίωσης µέσω δευτερογενών ροών που διεισδύουν εφαπτοµενικά στην κύρια ροή. Πρόσφατα σε µερικές ερευνητικές προσπάθειες (Cain et al ) δόθηκε έµφαση στη µελέτη της αλληλεπίδρασης των δεσµών µε το περιβάλλον ρευστό σε συνάρτηση µε την παραγωγή των οξειδίων του αζώτου (NO X ). Μελέτες σε διατάξεις αλληλεπίδρασης ισχυρής και αδύνατης δέσµης µέσα σε φούρνους µε µετρήσεις ταχυτήτων, θερµοκρασιών αλλά και συγκεντρώσεων οξυγόνου, που αποτελούν και κριτήριο για την απόδοση της καύσης (Sobiesiak at al 1998, Fleck et al, Matovic et al 2), οδήγησαν στην κατοχύρωση σχετικών διπλωµάτων ευρεσιτεχνίας (Nakamachi et al 199, Βesik et al 199, Neby et al, 1998, Nieszczur et al. 1). Στην προσπάθεια εξοικονόµησης ενέργειας, αύξησης της απόδοσης της καύσης και µείωσης των εκπεµπόµενων ρύπων, δοκιµάστηκαν η προθέρµανση του αέρα, η αντικατάσταση µέρος του οξειδωτικού από καυσαέρια που µέσω ανακυκλοφορίας επιστρέφουν στο θάλαµο καύσης, ή ακόµα και η χρήση καθαρού οξυγόνου (Trento &Sambastian 1). Για την αποδοτική λειτουργία διατάξεων µε ανακυκλοφορία καυσαερίων είναι χαρακτηριστικό ότι ο θάλαµος καύσης θα πρέπει ήδη να βρίσκεται σε αρκετά υψηλή θερµοκρασία (Flamme 1 ) και το ποσοστό ανακυκλοφορίας σε σχετικά χαµηλά επίπεδα (Wunning & Wunning 1997). ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΤΟΥ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΟΣ Η ανάπτυξη καυστήρων χαµηλής παραγωγής οξειδίων του αζώτου (lo-no x -burners ) απαιτεί τον έλεγχο των σχετικών γεωµετρικών και λειτουργικών παραµέτρων. Γενικά οι παράµετροι που επηρεάζουν την ανάµιξη των δεσµών µε τον περιβάλλοντα αέρα, την παραγωγή θερµότητας, την απόδοση της καύσης και τις ποσότητες των εκπεµπόµενων αέριων ρύπων είναι: η θέση και η γωνία της δέσµης του καυσίµου σε σχέση µε την ισχυρή δέσµη του οξειδωτικού, οι ταχύτητες εξόδου από τα ακροφύσια και ο αριθµός των δεσµών της διάταξης. Ωστόσο, στη διεργασία της καύσης εµπλέκονται τέσσερις ακόµα παράµετροι που είναι : η απόδοση της καύσης που σχετίζεται άµεσα µε τις ποσότητες του εναποµένοντος οξυγόνου στα προϊόντα, η µέγιστη θερµοκρασία του πεδίου, η θερµοκρασία στην οποία χρειάζεται να προθερµανθεί ο αέρας, για ιδιαίτερες εφαρµογές όπου χρησιµοποιείται η προθέρµανση και τέλος η γεωµετρία του θαλάµου καύσης (Cain et al ). Ως βασική παράµετρος για το σχεδιασµό διατάξεων µε δύο µόνο δέσµες χρησιµοποιείται συχνά µια αδιάστατη ποσότητα που δίνεται από το πηλίκο της απόστασης µεταξύ των δύο δεσµών προς το µέσο όρο των διαµέτρων των ακροφυσίων. Η ανάγκη για µια πιο ολοκληρωµένη εικόνα του προβλήµατος, οδηγεί στον ορισµό δύο επιπλέον παραµέτρων ψ 12 και θ 12, όπου η πρώτη δίνεται από το πηλίκο των παροχών της ορµής των δύο τζετ και η δεύτερη είναι η γωνία µεταξύ των δεσµών (Grandmaison et al 1998). Στην παρούσα εργασία µελετάται η επίδραση των αρχικών συνθηκών της ισχυρής δέσµης, όσο και η επίδραση της κλίσης του δευτερεύοντος ακροφυσίου στην ανάµίξη και στο παραγόµενο ροϊκό πεδίο. Σηµαντικό πεδίο διερεύνησης σ αυτή τη φάση είναι η επίδραση της θέσης των σταθερών ορίων του χώρου καύσης στην διαµόρφωση του ροϊκού πεδίου (Hussein et al 1994 ) για τον σωστό σχεδιασµό της πειραµατικής διάταξης. Σε σχέση µε τις παραµέτρους του προβλήµατος που ορίστηκαν πιο πριν, εξετάζεται η επίδραση της γωνίας απόκλισης ή σύγκλισης του αδύνατου τζετ στο ροϊκό πεδίο, καθώς εκτός από την κλασσική περίπτωση των παράλληλων δεσµών εξετάζονται οι περιπτώσεις όπου το αδύνατο τζετ συγκλίνει ή αποκλίνει από το ισχυρό µε γωνίες µοιρών. Παράλληλα, ο λόγος παροχών της ορµής ψ των δύο δεσµών που κυµαίνεται στην περιοχή.15-.4, 255

Πίνακας 1. Συνθήκες Εισόδου run 1 run 2 run 3 run 4 run 5 run6 Inlet 1 Inlet 2 Inlet 1 Inlet 2 Inlet 1 Inlet 2 Inlet 1 Inlet 2 Inlet 1 Inlet 2 Inlet 1 Inlet 2 U x (m/s) U y (m/s) U z (m/s) k (m 2 /s 2 ) ε (m 2 /s 3 ) 1.73-1.73-1.73 3 4 5 9.84 4 9.84 4 9.84 5 - - - - - - - - - - - -.375 3.375.375 6.375 9.375.375 6.375 6.375 9.375 76.54 124 76.54 294 76.54 5741 76.54 294 76.54 294 76.54 5741 για µια στοιχειοµετρική αναλογία.2 και αριθµούς Reynolds 4 και 27 περίπου για το αδύνατο και το ισχυρό τζετ αντίστοιχα. Λόγω της συµµετρίας του προβλήµατος, και για την ελάττωση του υπολογιστικού χρόνου, το πλέγµα που κατασκευάστηκε καλύπτει το µισό ενός ορθογωνίου παραλληλεπιπέδου µε διαστάσεις 1x1x.6 m. Τα ακροφύσια έχουν διαµέτρους 6 και mm για τα τζετ καυσίµου και αέρα αντίστοιχα ενώ η µεταξύ τους απόσταση είναι 7 cm. Για τη καλύτερη προσοµοίωση της αρχικής ζώνης ανάπτυξης των δεσµών και της ζώνη αλληλεπίδρασης το πλέγµα είναι πιο πυκνό ή πιο αραιό, ανάλογα µε την περιοχή που καλύπτει. Στο πλέγµα αξιοποιείται η δυνατότητα του κώδικα να δηµιουργεί µεθοριακές επιφάνειες ανάµεσα σε δυο περιοχές µε διαφορετικό αριθµό κελιών. Από τα αποτελέσµατα φαίνεται ότι το πλέγµα χρειάζεται βελτίωση στο µεθόριο µεταξύ της αρχικής και της τελικής περιοχής ανάπτυξης των δεσµών όπου παρουσιάζεται σηµαντική διάχυση. Οι αρχικές συνθήκες για κάθε µια από τις περιπτώσεις της διερεύνησης φαίνονται στον παρακάτω πίνακα, όπου σαν inlet 1 ορίζεται το αδύνατο και inlet 2 το ισχυρό τζετ αέρα. Για τον υπολογισµό των τυρβωδών χαρακτηριστικών χρησιµοποιήθηκε µοντέλο k-ε. Στην έξοδο των ακροφυσίων υποθέτουµε ότι η τυρβώδης συνιστώσα της ταχύτητας είναι ίση µε το 5% της µέσης ενώ ο ρυθµός φθοράς της 3/2 υπολογίζεται από τη σχέση ε = 2 k / d, όπου d η διάµετρος του ακροφυσίου. Αναλυτικότερα, η διερεύνηση διαρθρώνεται ως εξής: Στις τρεις πρώτες περιπτώσεις (run 1, 2, 3 ) εξετάζεται η επίδραση του λόγου παροχής της ορµής στην αλληλεπίδραση των δεσµών µέσω της αλλαγής της ταχύτητας της ισχυρής η οποία λαµβάνει τιµές 5, 4 και 3 m/s, δίνοντας αντίστοιχα τιµές για το λόγο ψ,.14,.225 και.4. Στις επόµενες δύο περιπτώσεις εξετάζεται σε σχέση µε την run 2, (ψ=.225 ) η επίδραση της κλίσης του αδύνατου τζετ που συγκλίνει (run 4 ) ή αποκλίνει (run 5 ) από την ισχυρή δέσµη µε γωνία µοιρών ενώ στην τελευταία περίπτωση της διερεύνησης (run 6 ) εξετάζεται πάλι η επίδραση του λόγου ορµής ψ που είναι µικρότερος από τον στοιχειοµετρικό (.14 ) και το αδύνατο τζετ αποκλίνει από το ισχυρό µε γωνία µοιρών. ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ Η πλήρης µελέτη του φαινοµένου της αλληλεπίδρασης περιλαµβάνει τόσο την υπολογιστική όσο και την πειραµατική διερεύνηση. Σε αυτή τη φάση της έρευνας, ωστόσο, παρουσιάζονται µόνο προβλέψεις για τις τροχιές που ακολουθούν οι δέσµες κατά την ανάπτυξή τους και το παραγόµενο πεδίο ταχυτήτων. Ο υπολογιστικός κώδικας που χρησιµοποιείται (CFD-ACE ) είναι ένας εµπορικός κώδικας πεπερασµένων όγκων αριθµητικής επίλυσης των εξισώσεων διατήρησης µάζας και ορµής (Patankar 198, CFD-ACE Theory Manual 1988), παρέχει τη δυνατότητα χρησιµοποίησης σύγχρονων µοντέλων τύρβης και προσοµοίωσης χηµικών αντιδράσεων για την πρόβλεψη τόσο του ροϊκού και θερµοκρασιακού πεδίου, όσο και των ποσοτήτων των προϊόντων της καύσης (Panidis et al ). Οι υπολογισµοί έγιναν σε PC Intel 1,9GHz µε 1,5GB µνήµη και κάθε τρέξιµο είχε διάρκεια 1 ώρας περίπου. Για την απόκτηση ικανοποιητικής λύσης ορίστηκε κριτήριο σύγκλισης ίσο µε -4 ενώ ταυτόχρονα ο µέγιστος αριθµός επαναλήψεων, που τελικά δεν υπερίσχυσε από το κριτήριο, είχε οριστεί στις 5. Τα αδιάστατα υπόλοιπα µειώθηκαν περίπου 8 τάξεις µεγέθους για τις ταχύτητες φτάνοντας κάτω από το -4, 6 τάξεις για τα τυρβώδη µεγέθη (k, ε ) φτάνοντας επίσης το -4 και 4 τάξεις για τις συγκεντρώσεις αέρα στο θάλαµο καταλήγοντας στο -6. 256

run1 run2 run3 run 4 run5 run6 Σχήµα 1. Ισοταχείς της κατακόρυφης ταχύτητας Τα βασικά χαρακτηριστικά του πεδίου ταχυτήτων φαίνονται στα σχήµατα 1 και 4 όπου παρουσιάζεται ποιοτικά και ποσοτικά η εξέλιξη της κατανοµής της κατακόρυφης ταχύτητας στο κεντρικό τµήµα του επίπέδου συµµετρίας. Λόγω της µεγάλης διαφοράς παροχών ορµής η ανάπτυξη της ισχυρής δέσµης επηρεάζεται πολύ λίγο από την παρουσία της αδύνατης. Η µέγιστη ταχύτητα παρουσιάζεται πάντα στον άξονα εκροής της δέσµης και η εξέλιξή της εξαρτάται µόνο από την ταχύτητα εξόδου στο ακροφύσιο όπως φαίνεται και στο σχήµα 2. Η ασθενής δέσµη έλκεται από το ροϊκό πεδίο που δηµιουργεί η ισχυρή (Hussein et al 1994 ) και βαθµιαία ενσωµατώνεται σ αυτήν ακόµα και στην περίπτωση που οι δέσµες αρχικά αποκλίνουν. Η διαδικασία της συµβολής εξαρτάται από την γεωµετρία των ακροφυσίων (απόσταση και σύγκλιση ) και από τον λόγο παροχής ορµής, ψ. Στα τελευταία στάδια ανάπτυξης της ροής η κατανοµή της ταχύτητας πλησιάζει την κατανοµή της ισχυρής δέσµης. Στη βιβλιογραφία, ειδικά για την περίπτωση της αδρανούς ή ισόθερµης ροής, διερευνάται η επίδραση των παραµέτρων σε σχέση µε το σηµείο συµβολής των δεσµών, αλλά και στη διείσδυση της αδύνατης στην ισχυρή δέσµη. Το αποτέλεσµα της αλληλεπίδρασης είναι η παραγωγή µιας δοµής µε τρεις χαρακτηριστικές περιοχές (Becker & Booth 1975). Η πρώτη (pre encounter zone ) περιλαµβάνει το στάδιο της µίξης κάθε µιας δέσµης ξεχωριστά µε το ακίνητο µέσο, που στη συγκεκριµένη περίπτωση είναι ο αέρας, και ορίζεται από το αρχικό ανάπτυγµα των δεσµών µέχρι το σηµείο συµβολής των δεσµών (confluence point). Η δεύτερη αποτελεί τη ζώνη ανάµιξης των δεσµών (to-jet mixing zone), όπου οξειδωτικό και καύσιµο συναντώνται και αναµιγνύονται µεταξύ τους, ενώ συνεχίζεται και η µίξη µε το περιβάλλον ρευστό. Η ζώνη αυτή ορίζεται χωρικά από το σηµείο συµβολής των τζετ µέχρι το σηµείο όπου η αναλογία οξειδωτικού και καυσίµου γίνεται όµοια µε αυτή που αντιστοιχεί στο λόγο παροχών στην έξοδο των ακροφυσίων. Η τρίτη και τελευταία ζώνη είναι η ζώνη αραίωσης (dilution zone ) όπου υπάρχει µια µόνο τυρβώδης δέσµη µε πλήρως αναµεµιγµένα τα U max (m/s) 55 5 45 4 35 ψ =,4, θ = ψ =,225, θ = ψ =,144, θ = ψ =,225, θ = ψ =,225, θ = ψ =,144, θ = y(m).5.45.4 3 25 15.35.3 θ= ύψος θ= ενσωµατωσης θ= - 5..1.2.3.4.25. θ= κρίσιµο θ= ύψος θ= - y (m).2.4 Σχήµα 2. Κατανοµή µέγιστης κατακόρυφης ταχύτητας Σχήµα 3.Υψος ενσωµάτωσης ψ και κρίσιµο ύψος 257

y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 3 3 3 3 3 3 3 y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 4 y=1 3 -.2 -.1..1.2 run 1 run 2 run 3 3 3 3 3 3 3 3 y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 3 3 3 3 3 3 3 y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 4 3 y=.8 y=.6 y=.4 y=.3 y=.2 y=.1 4 y=1 3 -.2 -.1..1.2 run 4 run 5 run 6 Σχήµα 4. Κατανοµές της κατακόρυφης ταχύτητας 258

y=.9 y=.9 y=.9 y=.6 y=.6 y=.6 y=.5 y=.5 y=.4 y=.4 y=.4 y=.3 y=.3 y=.2 y=.2 y=.2 y=.1 y=.1 y=.1 y=1 y=1 y=1 -.2 -.1..1.2 -.2 -.1..1.2 -.2 -.1..1.2 run 1 run 2 run 3 y=.9 y=.6 y=1. y=.9 y=.8 y=.7 y=1. y=.9 y=.8 y=.7 y=.4 y=.6 y=.6 y=.3 y=.5 y=.4 y=.5 y=.4 y=.2 y=.3 y=.3 -.2 -.1..1.2 y=.1 y=1 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 y=.2 y=.1 y=1 -.2 -.1..1.2 run 4 run 5 run 6 Σχήµα 5. Κατανοµές συγκεντρώσεων 259

δύο στοιχεία, η οποία συνεχίζει να παρασέρνει το περιβάλλον ρευστό µέχρι τη πλήρη αραίωση του µίγµατος. Για την περιγραφή της συµβολής των δύο δεσµών χρησιµοποιείται συχνά το κρίσιµο ύψος y c στο σηµείο συµβολής όπου το κέντρο της δευτερεύουσας δέσµης συναντά τα όρια της ισχυρής. Η εκτίµηση της θέσης του σηµείου συµβολής (confluence point ) γίνεται συνήθως µε βάση διαγράµµατα της διαµήκους ταχύτητας όπως αυτά του σχήµατος 1. Μια άλλη παράµετρος που µπορεί να υπολογιστεί µε µεγάλη ακρίβεια από ποσοτικές κατανοµές όπως αυτές του σχήµατος 4, είναι το ύψος ενσωµάτωσης στο οποίο η κατανοµή της ταχύτητας παύει να παρουσιάζει δεύτερο τοπικό µέγιστο. Οι δύο αυτές παράµετροι περιγράφουν σχεδόν ισότιµα την διαδικασία συµβολής όπως φαίνεται και στο σχήµα 3. Η γωνία µεταξύ των αξόνων εκροής παίζει κυρίαρχο ρόλο στην διαδικασία της συµβολής. ευτερευόντως η αύξηση της ισχύος της πρωτεύουσας δέσµης (µείωση του λόγου παροχών ορµής, ψ ) επιταχύνει επίσης την συµβολή χάρη στη δηµιουργία ισχυρότερου ροϊκού πεδίου ακτινικής αναρρόφησης. Σε σύγκριση µε τη θεωρητική πρόβλεψη της τροχιάς που ακολουθεί το αδύνατο τζετ σε παρόµοιες περιπτώσεις (Grandmaison et al 1998 ) οι εκτιµήσεις της υπολογιστικής διερεύνησης συγκλίνουν ικανοποιητικά αν και δεν ταιριάζουν απόλυτα. Το γεγονός αυτό είναι πιθανό να οφείλεται στην αραίωση του πλέγµατος µετά το y =.4 m και στην αυξηµένη υπολογιστική διάχυση που προκαλείται στην περιοχή αυτή. Χαρακτηριστικό αποτέλεσµα του προβλήµατος αυτού είναι η ασυνέχεια των ισοταχών περιοχών στο σηµείο αλλαγής του πλέγµατος που παρατηρείται στο σχήµα 1. Για την καλύτερη ανάλυση του µηχανισµού της µίξης έχουν προστεθεί στη ροή του αέρα σωµατίδια σε πολύ µικρές ποσότητες έτσι ώστε να µην επηρεάζουν την ροή και να λειτουργούν σαν τροχιοδεικτικά, παρόµοια µε αυτά που χρησιµοποιούνται στα πειράµατα. Οι αρχικές ποσότητες αυτών των σωµατιδίων αποτελούν το ένα χιλιοστό των δύο µιγµάτων έτσι όπως αυτά εξέρχονται από τα ακροφύσια. Με τη χρήση αυτών των σωµατιδίων είναι εύκολο να περιγραφούν οι τροχιές που ακολουθούν οι δύο δέσµες και να προσδιοριστεί µε πιο ουσιαστικό τρόπο το σηµείο συµβολής. Είναι επίσης δυνατό να προσδιοριστούν η «ζώνη ανάµιξης των δεσµών» και η «ζώνη αραίωσης». Στο σχήµα 5 παρουσιάζονται οι κατανοµές συγκεντρώσεων σε διάφορα ύψη από την έξοδο των ακροφυσίων. Η µορφή των κατανοµών βρίσκεται σε συµφωνία µε τα αποτελέσµατα της ταχύτητας. Στα διαγράµµατα αυτά φαίνεται ότι η κύρια µάζας των τροχιοδεικτικών της δευτερεύουσας ροής δεν ξεπερνά τον άξονα της ισχυρής δέσµης και ενσωµατώνεται στην πλευρά της ισχυρής δέσµης στην οποία αρχικά εισέρχεται. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Τα αποτελέσµατα της παρούσας εργασίας µπορούν να δώσουν µια συνολική εικόνα για το ροϊκό πεδίο που παράγεται από την αλληλεπίδραση των δύο τζετ. Η εκτίµηση του σηµείου συµβολής ορίζει πόσο περιβάλλον ρευστό απορροφά κάθε µια δέσµη πριν την µεταξύ τους ανάµιξη. Σε βιοµηχανικούς φούρνους το περιβάλλον ρευστό συνήθως αποτελείται από προϊόντα της καύσης, που έχουν χάσει αρκετή από την ενθαλπία τους. Έτσι η απορρόφηση (ή εγκόλπωση ) τέτοιων στοιχείων από κάθε µια δέσµη πριν την καύση των δύο µιγµάτων αραιώνει τα αντιδρώντα και οδηγεί σε χαµηλότερες θερµοκρασίες και µικρότερη παραγωγή οξειδίων του αζώτου. Γενικά, ο σχεδιασµός των καυστήρων που αποτελεί σηµαντικό πεδίο έρευνας εδώ και λίγα χρόνια, στηρίζεται στην εξής παρατήρηση: Σχήµατα καύσης που οδηγούν σε µικρές σε έκταση και µεγάλες σε «ένταση» ζώνες καύσης και άρα µεγάλους ρυθµούς παραγωγής θερµότητας, έχουν σαν αποτέλεσµα την παραγωγή περισσότερων εκπεµπόµενων ρύπων από εκείνα που οδηγούν σε µεγαλύτερες σε έκταση (ή σε όγκο ) ζώνες καύσης, που όµως έχουν µικρότερη ένταση και άρα περιορισµένη τοπική παραγωγή θερµότητας. ΑΝΑΓΝΩΡΙΣΗ Η ερευνητική αυτή εργασία χρηµατοδοτείται από το Πανεπιστήµιο Πατρών στα πλαίσια του προγράµµατος βασικής έρευνας Κ. ΚΑΡΑΘΕΟ ΩΡΗΣ. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. Miller, C.A, Hall, R.E.& Stern, R.D., NOx Control Technology Requirements under the United States 199 Clean Air Act Amendments Compared to Those in Selected Pacific Rim Countries, Pacific Rim International Conference on Environmental Control of Combustion Processes, Maui, Haaii, Oct 16-, 1994. 2. Lefebvre A.W. Gas Turbine Combustion McGra Hill, 1983 3. Turns, S.R., An Introduction to Combustion - Concepts and Applications, McGra Hill, 1996. 26

4. Kalogirou, I., Papailiou, D. & Koutmos P. Turbulent Mixing Processes in a Lo NO x Combustor Module 26 th Inter. Symposium of the Combustion Institute, Naples 1996. 5. Kalogirou, I. & D. Papailiou D.D. Turbulent Heat Transfer Processes in a Multiple - Jet - Confined Crossflo Configuration Proceedings of Eurotherm Seminars, Thera, Greece 1997. 6. Kalogirou, I., Bakrozis A. & Papailiou D.D. Turbulent Mixing Processes in a Sirling - Multiple Jet Crossflo Confined Configuration. International. Symposium on Airbreathing Engines ISABE, Florence Sept. 1999. 7. Hussein, H., Capp, S. & George, W., Velocity measurements in a High-Reynolds-Number, Momentum- Conserving, Axissymmetric, Turbulent Jet, J. Fluid Mech., Vol.258, p.31, 1994. 8. Tanaka E., The Interference of To-Dimensional Parallel Jets, Bulletin of the J.S.M.E., Vol.17, pp.9-927, 1974. 9. Yuu, S., Shimoda, F. &Jotaki, T., Hot-ire measurement in the Interacting To-Plane Parallel Jets, AIChE J. Vol.25, pp.676-685, 1979.. Elbana, H., Gahin, S. & Rashed, M.I.I., Investigation of To-Plane Parallel Jets, AIAA J. Vol.21, pp.986-991, 1983. 11. Lin, Y.F. & Sheu, M.J., Investigation of To Plane Parallel Unventilated Jets, Experiments in Fluids, Vol., pp.17-22, 199. 12. Okamoto, T., Yagita, M., Watanabe, A. & Kaamura, K., Bulletin of JSME Vol.28, p.617, 1985. 13. Moustofa, G.H., Experimental Investigation of High-Speed Tin Jets AIAA J. Vol.32, pp.23-2322, 1994. 14. Wang, C.S., Lin, Y.F. & Sheu, M.J., Measurements of Turbulent Inclined Plane Dual Jets, Experiments in Fluids, Vol.16, pp.27-35, 1993. 15. Grandmaison, E.W., Yimer, I., Becker, H.A & Sobieziak, A., The Strong Jet/Weak Jet Problem and Aerodynamic Modeling of the CGRI Burner, Combustion & Flame, Vol.114, pp.381-396, 1998. 16. Yimer, I., Becker, H.A. & Grandmaison, E.W., The Strong Jet/Weak Jet Problem: Ne Experiments and CFD, Combustion & Flame, Vol.124, pp.481-52, 1. 17. Anacleto.P., Heitor, M.V. & Moreira, A.L.N., The Mean and Turbulent Flofields in a Model RQL Gas- Turbine Combustor, Experiments in Fluids, Vol.22, pp.153-164, 1996. 18. Matovic, M.D., Grandmaison, E.W., Miao, Z. & Fleck, B., Mixing Patterns in a Multiple Jets Ultra-Lo- NO x CGRI Natural Gas Burner, The American Flame Research Committee Spring Meeting, May 2. 19. Fleck, B., Becker, H.A., Sobieziak, A., Matovic, M.D. & Larence, A.D., Ultra-Lo-NO X Natural Gas Burner: Development and Performance, 5th European Conference of Industrial Furnaces and Boilers, April.. Sobieziak, A., Rahbar, S. &Becker, H.A., Performance Characteristics of the Novel Lo-NO x CGRI Burner For Use ith High Air Preheat, Combustion & Flame, Vol.115, pp.93-125, 1998. 21. Nakamichi, I., Yasuzaa, K., Miyahara, T. & Nagata, T., Apparatus or method for carrying out combustion in a furnace, U.S. Patent 4,945,841, 199. 22. Besik, F., Rahbar, S., Becker, H.A. & Sobiesiak, A., Lo nox burner, U.S. Patent 5,772,421, 199. 23. Robertson, T.F., Miller, T.A., Quinn, D.E., Ultra lo NOX burner, U.S. Patent 5,667,376, 1997. 24. Neby, J.N., Shannon, R.A.; Nieszczur K.J., Lo NOx flat flame burner, U.S. Patent 5,813,846, 1998. 25. Nieszczur, K.J., Cain, B.E., Neby, J.N., Robertson, T.F., Sutton, R.D., Integral lo NOx injection burner, U.S. Patent 6,6,686, 1. 26. Cain, B., Robertson, T. & Neby, J., The Development and Application of Direct Fuel Injection Techniques for Emissions Reduction in High Temperature Furnaces, 2 nd International Seminar on High Temperature Combustion, Stockholm-Seden, Jan. 17-18,. 27. Trento, L. & Sambastian, P.L., Development and Assesment of an Advanced Flameless Oxidation Burner for Very Lo NO x Emissions, Fourth Year Seminar Proceedings, 1. 28. Flamme, M., Lo NO x Combustion Technologies for High Temperature Applications, Energy Conversion & Management, Vol.42, pp.1919-1935, 1. 29. Wunning, J.A. & Wunning, J.G, Flameless Oxidation to Reduce Thermal NO-Formation, Prog. Energy Comb. Sci., Vol.23, pp.81-94, 1997. 3. Becker, H.A. & Booth, B.D., Mixing in the Interaction Zone of To-Free Jets, AIChE J., Vol.21, pp.949-958, 1975. 31. Patankar, S.V., Numerical Heat Tranfer and Fluid Flo, Mc Gra Hill, Ne York,198. 32. CFD-ACE Theory Manual, CFD Research Corporation, 1998. 33. Panidis, T., Perrakis K.K., Koutmos, P., Orfanos, S., & Papailiou, D.D., Convenctional and Oxy Fuel Combustion in a Glass Furnace Installaton, 1 st Balcan Conference on Glass Science and Technology, University of Thessaly, Volos, Oct 9-,. 261