Vol.1, No 8, 2001 pp. 981 - 988
UDC 621.43.019+52-46
MODELING OF NON-CONFINED TURBULENT FLOW
OF TWO COAXIAL STREAMS
UNDER COMBUSTION CONDITIONS
Miroslav Sijerčić, Žarko Stevanović, Srdjan Belošević
Institute of  Nuclear Sciences - Vinca, Laboratory for Thermal Engineering and Energy
11001 Belgrade, P.O. Box 522, Yugoslavia
Abstract. The investigation of turbulence and combustion interaction is most conveniently done in simple configurations where the influence of various physical processes can be isolated and studied in details. This paper deals with mathematical modeling of turbulent combustion and complements the experimental research of methane flame occurring in two coaxial streams. The geometry is two coaxial streams, where the inner one is the stoichiometric mixture of the air and methane, and the outer one is the pure air, so the premixed and diffusion combustion mechanisms coexist in the flow field. This flow configuration is interesting for design of efficient combustors that enable pollution reduction and energy savings.
Turbulent model for reactive flow field is based on the second-order closures for Reynolds stresses and fluxes. Closure of the system of Reynolds equations of momentum and continuity equation for stationary axial-symmetric turbulent flow of incompressible fluid has been carried out based on the solution of conservation equations for turbulent stresses  and turbulence kinetic energy dissipation rate The model encompasses conservation equations of gas components participating in the process (CH4, O2, N2, CO2, H2O) and energy equation. To deal with chemical reaction, conservation equations of participating species in terms of mass fraction of species are solved. The energy equation is solved in term of mixture enthalpy. The system of equations has been closed by means of conservation equations for Reynolds scalar fluxes scalar variance.
Combustion rate based on the chemical kinetic is obtained by the Arrhenius relation, that is much greater than combustion rate in the real flame. Because the time scale of the turbulence decay is typically much longer than the chemical kinetic time scale, the reaction is controlled by turbulent mixing. Since practically all of the combustion occurs after mixing between the small scale dissipative eddies, we cannot go too far wrong by linking the combustion rate to the turbulence decay rate by "Eddy-Break-Up" model. According to this model,  it was assumed that the combus-tion reactions are controlled by the rate of turbu-lence pro-duction destruction, which is characterized by the turbulence time scale of large eddies. In domain of lower temperatures, the rate is controlled by the chemi-cal reaction kinetics.
The comparison of the experimentally obtained and calculated parameters of the flame flow field, such as U, V, T,  , has been made. Turbulent mass fluxes are also calculated but not compared with experimental  data..
MODELIRANJE SLOBODNOG TURBULENTNOG TOKA DVE KOAKSIJALNE STRUJE U USLOVIMA SAGOREVANJA
Istraživanje interakcije turbulencije i sagorevanja se najčešće izvodi u jednostavnim konfiguracijama gde se uticaj različitih fizičkih procesa može izolovati i detaqno proučiti. Ovaj rad se bavi matematičkim modeliranjem turbulentnog sagorevanja i dopunjuje eksperimentalno istraživanje metanskog plamena koji nastaje pri strujanju dve koaksijalne struje fluida. Geometrija obuhvata dve koaksijalne struje, gde unutrašnja predstavqa stehiometrijsku mešavinu vazduha i metana, a spoqašnju čini samo vazduh, tako da u strujnom poqu istovremeno postoje pojave karakteristične za sagorevanje u predmešanom i difuzionom plamenu. Ovakva konfiguracija strujanja je interesantna za projektovanje efikasnih gorionika, koji omogućavaju smanjenje zagađenja i uštedu energije.
Primenjeni model turbulencije za strujno poqe sa hemijskim reakcijama se zasniva na modelima drugog reda za Rejnoldsove napone i flukseve. Zatvaranje sistema Rejnoldsovih jednačina količine kretanja i jednačine kontinuiteta za stacionarno osnosimetrično turbulentno strujanje nekompresibilnog fluida izvedeno je na bazi rešavanja jednačina održanja za turbulentne napone ( ) i  disipaciju kinetičke energije turbulencije (?). Model obuhvata i jednačine održanja gasovitih komponenti koje učestvuju u procesu (metan, kiseonik, azot, ugqen-dioksid, vodena para) i jednačinu energije. Radi uvođenja hemijskih reakcija u model, jednačine održanja učestvujućih hemijskih komponenti se rešavaju u funkciji njihovih masenih udela.  Jednačina energije se rešava u funkciji entalpije smeše. Sistem jednačina se zatvara pomoću jednačina održanja za Rejnoldsove skalarne flukseve ( ) i skalarnu varijansu ( ).
Brzina sagorevanja bazirana na hemijskoj kinetici, dobija se iz Arenijusove relacije i kao takva je mnogo veća od brzine sagorevanja u realnom plamenu. Zbog toga što je vremenski razmer odumiranja turbulencije obično mnogo duži od vremenskog razmera hemijske kinetike, reakcija je kontrolisana turbulentnim mešanjem. Pošto se praktično celokupno sagorevanje odigrava nakon mešanja između disipativnih vrtloga malih razmera, ne možemo mnogo pogrešiti povezujući brzinu sagorevanja sa brzinom odumiranja turbulencije pomoću modela drobqenja vrtloga. Prema ovom modelu, pretpostavqa se da su reakcije sagorevanja kontrolisane brzinom destrukcije produkcije turbulencije, koju karakteriše vremenski razmer turbulencije velikih vrtloga. U oblasti nižih temperatura, ova brzina je kontrolisana kinetikom hemijske reakcije.
Izvedeno je poređenje eksperimentalno dobijenih i proračunatih parametara strujnog poqa plamena, kao što su U, V, T,  . Takođe su u ovom radu proračunati i turbulentni maseni fluksevi.