CFD SIMULATION OF COMBUSTION CHARACTERISTICS AND RE-IGNITION SOURCES IN A VALVELESS PULSE COMBUSTOR

Al-Qamash, Mahmoud Nasr; Ibrahim, Said M. A.; Taha, Mohamed R.

doi:10.21608/auej.2022.233844

CFD SIMULATION OF COMBUSTION CHARACTERISTICS AND RE-IGNITION SOURCES IN A VALVELESS PULSE COMBUSTOR

Document Type : Original Article

Authors

¹ Mechanical Engineering Department, Faculty of Engineering, Al-Azhar University, Cairo, Egypt

² Mechanical Power Engineering Department, Faculty of Engineering, Cairo University, Giza, Egypt

10.21608/auej.2022.233844

Abstract

Due to the complex mechanism of the combustion process in the pulse combustor, it is challenging to conduct experimental applications to investigate the sources of re-ignition. The paper presents a 3D numerical simulation study of the re-ignition mechanism in a Helmholtz-type valveless pulse combustor. The numerical simulation is conducted by involving the fundamental equations of Reynolds averaged Navier-Stokes. The turbulence-chemistry interaction scheme is implemented using the Eddy Dissipation Model and a propane-air mixture utilizing a two-step process. The CFD combustion model was used to predict the limit cycle of thermoacoustic instability in a laboratory-scale pulse combustor and was examined with experimental results to assess its validity. Our simulation study revealed there was a weak re-ignition source at the beginning of the combustion chamber, but it was extinct due to insufficient thermal energy. The main re-ignition source occurs when the hightemperature gas in the hot zone recirculates in Counter-rotating and pulls the flame to extend around the bluff body. The combustible air-fuel mixture instantly interacts with the bluff body's extended flame, causing self-ignite to the downstream mixture flow. The results confirm that the model CFD simulations are capable of accurately capturing the periodic re-ignition sources and scientifically proving the Rayleigh criteria.

تناولت هذه الورقة وضع نموذج جديد لمحاکاة عملية االحتراق في موقد نبضى بدون صمام يعمل بوقود البروبان. يتم إجراء المحاکاة العددية باستخدام CFD اعتمادا على االحتراق النبضى لنموذج اختبار عملي اللتقاط مصادر إعادة االشعال في دورة االحتراق. يتم التحکم في المحاکاة العددية باستخدام متوسط معادالت رينولدز نافير- ستوکس. تم تصميم مخطط التفاعل بين االضطراب والکيمياء باستخدام نموذج تبديد الدوامه مع آلية تفاعل ثنائية. هنا نکتشف أن هناک مصدر ضعيف إلعادة االشتعال في منطقة خلط المدخل ولکنه انقرض بسبب عدم کفاية الطاقة المحليه. في حين أن المصدر الرئيسي يکون بسبب اللهب الممتد حول الجسم خدعة مع وجود غازات إعادة التدوير الساخنة التي تواجه شحنه الخلط الجديدة من الهواء والوقود حينها يبدأ في إعادة إشعال الخليط واستدامه االحتراق. يتم إجراء تجارب عمليه للتحقق من صحة نموذج CFD الذي تم إنشاؤه. وقورنت نتائج النموذج بالقيم التي تم الحصول عليها من النموذج التجريبي والتي أظهرت اتفاقا جيدا ليکون اداه لتحسين جهاز االحتراق النبضى

Keywords