Numerical Optimization of the Nozzle Air Inlet Structure in H 2 -CH 4 Micromix Combustor

بينما يسعى العالم للابتعاد عن الوقود الأحفوري، يُطلب من التوربينات الغازية القيام بشيء لم تُصمم لأجله في الأصل: وهو حرق الهيدروجين جنباً إلى جنب مع الغاز الطبيعي. الهيدروجين وقود نظيف لا ينتج ثاني أكسيد الكربون عند احتراقه، لكنه أيضاً شديد التفاعل بشكل مذهل. فعند خلطه بالهواء، يحترق بسرعة وعنف شديدين لدرجة أنه قد يتسبب في ارتداد اللهب إلى داخل إمدادات الوقود أو يخلق بقعاً ساخنة شديدة التركيز تولد أكاسيد نيتروجين ضارة. ولحل هذه المشكلة، طور المهندسون مفهوماً يسمى "الاحتراق الدقيق" (micromix combustion). فبدلاً من وجود لهب واحد كبير، يستخدم هذا النهج مئات القنوات الصغيرة لإنشاء مجال واسع من اللهبات المجهرية. ومن خلال تقسيم الوقود والهواء إلى نفاثات صغيرة ومنفصلة، يحدث الامتزاج بشكل فوري تقريباً، مما يمنع تكون البقع الساخنة ويحافظ على انخفاض الانبعاثات. ومع ذلك، لكي يعمل هذا النظام، يجب خلط الوقود والهواء بدقة متناهية قبل أن يشتعلا. وإذا كان الخليط غير متساوٍ، فإن فوائد اللهبات الصغيرة تتلاشى.

وضع فريق من الباحثين من المجموعة الوطنية للطاقة في الصين ومعاهد بحثية خطة لإتقان تصميم الفوهة التي توصل هذا الخليط. كان هدفهم هو إيجاد أفضل طريقة لترتيب الثقوب حيث يدخل الهواء إلى الفوهة لضمان امتزاجه تماماً مع وقود الهيدروجين والميثان. لم يقوموا ببناء نموذج أولي مادي لاختباره في المختبر؛ بل استخدموا محاكاة حاسوبية قوية لنمذجة تدفق الغازات. سمحت هذه المحاكاة بمراقبة كيفية تفاعل الهواء والوقود داخل الفوهة، وتتبع كيفية دوران الغازات وتصادمها وامتزاجها تحت ظروف مختلفة. ركز الباحثون على نوع معين من الفوهات حيث يدخل الهواء من الجوانب ويصطدم بالوقود القادم من الأسفل، مما يخلق بيئة مضطربة تجبر الغازين على الاندماج معاً.

بدأ الفريق باختبار كيف يؤثر عدد ثقوب الهواء على عملية الخلط. وقارنوا بين تصميم بسيط يتكون من طبقة واحدة من أربع ثقوب وبين ترتيبات أكثر تعقيداً تضم ثماني واثنتي عشرة ثقبة. ووجدوا أن إضافة طبقات أكثر من الثقوب تخلق سلسلة من التيارات الهوائية الدوارة. فعندما ينطلق الهواء من الجوانب، فإنه يعيق المسار الصاعد للوقود، مما يجبر الوقود على الدوران حول نفسه ويخلق دوامة، أو جيباً هوائياً دواراً، بالقرب من الأسفل. ومع وجود طبقة واحدة من الثقوب، تتلاشى هذه الحركة الدوارة بسرعة. ولكن مع وجود طبقتين أو ثلاث، يلتقط الهواء القادم من الثقوب العلوية الحركة الدوارة من الثقوب السفلية، مما يخلق دوامة ثانية وثالثة وحتى المزيد من الدوامات مع تحرك الخليط نحو الأعلى. هذه الطبقات المتعددة من الهواء الدوار تعمل على تمديد وطي الوقود والهواء معاً، تماماً مثل عجن العجين، مما يضمن مزجهما جيداً قبل وصولهما إلى نهاية الفوهة. واكتشف الباحثون أنه بينما توفر الاثنتا عشرة ثقبة تحسناً طفيفاً عن الثماني ثقوب، إلا أن التعقيد الإضافي وصعوبة التصنيع لا يستحقان هذا المكسب الضئيل في الأداء. لذا استقروا على تصميم ذي طبقتين وثماني ثقوب باعتباره التوازن الأكثر كفاءة.

بعد ذلك، نظر الباحثون في حجم تلك الثقوب. في تصميمهم الأولي، كانت جميع ثقوب الهواء بنفس الحجم، لكنهم لاحظوا أن ضغط الهواء داخل الفوهة لم يكن موحداً. فالهواء الداخل من الثقوب السفلية واجه مقاومة أكبر وتحرك بقوة أقل من الهواء الداخل من الأعلى. ولإصلاح ذلك، جربوا تصميماً "متدرجاً" حيث تم جعل الثقوب في الأسفل أكبر والثقب في الأعلى أصغر. هذا التغيير البسيط أعاد توزيع زخم الهواء. فمن خلال جعل الثقوب السفلية أكبر، تم دفع المزيد من الهواء من خلالها بقوة أكبر، مما عزز الدوامة الدوارة في الأسفل حيث يدخل الوقود لأول مرة. هذا الدوران القوي سحب الوقود إلى الهواء بشكل أكثر فعالية، مما قضى على جيوب الوقود غير المحترق التي كانت تظل عالقة بالقرب من الأسفل في التصاميم الموحدة. وأظهرت عمليات المحاكاة أن هذا النهج المتدرج حسن جودة الخلط بشكل كبير، مما دفع تجانس الخليط إلى مستويات تقارب المثالية.

اختبر الفريق أيضاً ما إذا كانت هذه الفوهة المحسنة يمكنها التعامل مع كميات مختلفة من الهيدروجين. قاموا بمحاكاة ظروف يكون فيها الوقود غازاً طبيعياً نقياً، ومزيجاً يحتوي على 60% من الهيدروجين، وحتى هيدروجين خالصاً. وأظهرت النتائج أن التصميم الجديد عمل بشكل ممتاز للخلائط التي تحتوي على ما يصل إلى 60% من الهيدروجين؛ ففي هذه السيناريوهات، ظل الخلط موحداً ومستقراً. ومع ذلك، عندما رفعوا محتوى الهيدروجين إلى 100%، بدأ النظام في المعاناة. فالهيدروجين النقي يتطلب معدل تدفق أعلى بكثير لتوصيل نفس كمية الطاقة، مما يعني أن الوقود يندفع من الفوهة بسرعة أكبر بكثير. هذه النفاثة الوقودية عالية السرعة أصبحت قوية جداً، حيث اخترقت التيارات الهوائية مباشرة بدلاً من أن يتم التقاطها وتدويرها. وانهار نظام الدوامة الدقيق الذي حافظ على تماسك الخليط، وانخفضت جودة الخلط. تشير هذه النتيجة إلى أنه بينما يعد التصميم فعالاً للغاية لفترة الانتقال لإضافة الهيدروجين إلى الغاز، إلا أنه قد يحتاج إلى تعديلات إضافية للتعامل مع الهيدروجين النقي.

أخيراً، أدرك الباحثون أن الفوهة لا تحتاج لأن تكون بطول ما بنوه في نماذجهم الأصلية. فقد أظهرت عمليات المحاكاة أن الخلط يحدث بسرعة كبيرة؛ فبحلول الوقت الذي تقطع فيه الغازات مسافة 60 ملم صعوداً في الفوهة، تكون قد اختلطت بنسبة 97%. أما الـ 40 ملم المتبقية من الطول فلم تضف سوى القليل جداً إلى الجودة النهائية للخليط. تعني هذه الرؤية أن المهندسين يمكنهم بناء فوهة أقصر وأكثر دمجاً توفر المساحة وتقلل تكاليك التصنيع دون التضحية بالأداء. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال ترتيب عدد وحجم ثقوب الهواء بعناية، يمكن إنشاء فوهة تمزج الهيدروجين والغاز الطبيعي بكفاءة وأمان، مما يوفر خطوة عملية نحو طاقة أنظف للتوربينات الغازية.