Numerical simulation study on ignition process of hydrogen micro-mixed diffusion combustion chamber

तकनीकी सारांश: हाइड्रोजन माइक्रो-मिक्सड डिफ्यूजन कंबशन चैंबर के इग्निशन प्रक्रिया पर संख्यात्मक सिमुलेशन अध्ययन

समस्या विवरण

"दोहरे कार्बन" (dual carbon) के रणनीतिक लक्ष्य के तहत, हाइड्रोजन ईंधन को विमान इंजन ऊर्जा संरचनाओं को बदलने के लिए एक महत्वपूर्ण घटक के रूप में तेजी से देखा जा रहा है। हालांकि, हाइड्रोजन की उच्च प्रतिक्रियाशीलता, निम्न इग्निशन ऊर्जा और विस्तृत इग्निशन रेंज गंभीर सुरक्षा चुनौतियां पेश करती हैं, विशेष रूप से दहन कक्षों (combustion chambers) के सीमित स्थानों के भीतर। ऐसे वातावरण में इग्निशन में ओवरप्रेशर (इस अध्ययन में इसे प्रारंभिक दबाव के 5% से अधिक स्थानीय दबाव वृद्धि के रूप में परिभाषित किया गया है) और संभावित विस्फोट का उच्च जोखिम होता है। जबकि माइक्रो-मिक्सड डिफ्यूजन तकनीक मिश्रण को बेहतर बनाने और उत्सर्जन को कम करने के लिए ज्वालाओं को सूक्ष्म क्षेत्रों में विभाजित करके एक समाधान प्रदान करती है, शुद्ध हाइड्रोजन के इन सीमित स्थानों में विशिष्ट इग्निशन जोखिमों और विस्फोट विशेषताओं के संबंध में शोध अभी भी एक "शून्य चरण" (blank stage) में है। मौजूदा साहित्य मुख्य रूप से हाइड्रोजन-डोप्ड ईंधनों या अनकन्फाइंड लीकेज परिदृश्यों पर केंद्रित है, जिससे विभिन्न इंजेक्शन और इग्निशन रणनीतियों के तहत शुद्ध हाइड्रोजन माइक्रो-मिक्सड चैंबर्स की इग्निशन गतिशीलता को समझने में एक अंतराल रह गया है।

कार्यप्रणाली

यह अध्ययन हाइड्रोजन माइक्रो-मिक्सड डिफ्यूजन कंबशन चैंबर के इग्निशन प्रक्रिया की जांच करने के लिए ANSYS-FLUENT सॉफ्टवेयर का उपयोग करते हुए एक संख्यात्मक सिमुलेशन दृष्टिकोण अपनाता है।

• भौतिक मॉडल: सिमुलेशन डोमेन क्रैनफील्ड यूनिवर्सिटी के एकल तीन-आयामी इंजेक्टर संरचना के विस्तारित सरणी (extended array) पर आधारित है, जिसमें 260 मिमी लंबा कंबशन चैंबर, 70 मिमी टेल कन्वर्जेंस सेक्शन और छह सेट इंजेक्टर (प्रत्येक में वायु और हाइड्रोजन इनलेट) शामिल हैं।
• संख्यात्मक सेटअप:
  • एल्गोरिदम: प्रेशर-बेस्ड वेलोसिटी-कपल्ड कपल्ड (Coupled) एल्गोरिदम।
  • टर्बुलेंस मॉडल: हाइड्रोजन दहन के लिए सटीकता सुनिश्चित करने हेतु यिलमाज़ हारुन आदि के पूर्व शोध के आधार पर चयनित।
  • कंबशन मॉडल: टर्बुलेंट फ्लो में रासायनिक प्रतिक्रियाओं को पकड़ने के लिए एडी डिसिपेशन कॉन्सेप्ट (EDC)।
  • केमिस्ट्री: ओकोनेयर (ÓConaire) कॉम्प्लेक्स हाइड्रोजन रिएक्शन मैकेनिज्म (10 घटक, 21 प्रतिक्रिया चरण)।
• बाउंड्री कंडीशंस: इक्विवेलेंस रेश्यो 0.4 पर स्थिर है। इनलेट स्थितियों में 422 K का कुल वायु तापमान और 243.47 kPa का दबाव शामिल है। इग्निशन स्रोत को एक उच्च-तापमान हीट सोर्स (2000 K, 3 मिमी त्रिज्या) के रूप में मॉडल किया गया है।
• सुरक्षा मानदंड: GB/T 42368-2023 का संदर्भ लेते हुए, यदि तात्कालिक दबाव अनुपात ($P_r = P_m / P_{t3}$) 1.05 तक पहुँचता है या उससे अधिक हो जाता है, तो विस्फोट माना जाता है।
• सत्यापन: ग्रिड इंडिपेंडेंस को 0.2 मिमी, 0.3 मिमी और 0.5 मिमी के स्ट्रक्चर्ड ग्रिड का उपयोग करके सत्यापित किया गया। 0.3 मिमी ग्रिड का चयन किया गया क्योंकि यह 0.2 मिमी ग्रिड के अनुरूप परिणाम प्रदान करता था और सटीकता आवश्यकताओं को पूरा करता था।

प्रमुख योगदान और परिणाम

अध्ययन विभिन्न इंजेक्शन-इग्निशन टाइमिंग (स्टेबल फिलिंग, एंड ऑफ फिलिंग, हाफ-फिलिंग) और विभिन्न स्टार्टिंग लोड (फुल, 1/2, 2/3 वर्किंग कंडीशंस) के तहत दहन और विस्फोट विशेषताओं का व्यवस्थित विश्लेषण करता है।

1. इग्निशन टाइमिंग और मिश्रण की एकरूपता (Homogeneity)

• स्टेबल फिलिंग (समय A): स्टेबल फिलिंग के तहत, ज्वाला अपेक्षाकृत सुचारू रूप से प्रसारित होती है लेकिन शुरुआती चरण में बैकफायर (backfire) का अनुभव करती है। ओवरप्रेशर की घटनाएं होती हैं, जिसमें उच्चतम पीक प्रेशर ($P_r = 1.185$) $t = 75.5$ ms पर इंजेक्टर ④ और ⑤ के हाइड्रोजन आउटलेट्स के पास देखा गया।
• एंड ऑफ फिलिंग (समय B): फिलिंग के अंत में इग्निशन के परिणामस्वरूप सांद्रता प्रवणता (concentration gradients) के साथ एक अत्यधिक गैर-समान मिश्रण प्राप्त होता है। यह फ्लेम सेपरेशन की ओर ले जाता है और स्टेबल फिलिंग की तुलना में काफी उच्च ओवरप्रेशर जोखिम पैदा करता है। उच्चतम प्रेशर पीक इंजेक्टर ① के पाइपलाइन में $t = 194.98$ ms पर $P_r = 1.48$ तक पहुँचा।
• हाफ-फिलिंग (समय C): यह स्थिति सबसे अस्थिर फ्लो फील्ड प्रस्तुत करती है, जिसमें चैंबर के दूसरे आधे भाग में शुद्ध वायु है। इग्निशन फ्लेम कनेक्शन प्राप्त करने में विफल रहता है और ज्वाला ब्लो-आउट (blow out) होने की प्रवृत्ति रखती है। यहाँ ओवरप्रेशर का जोखिम सबसे अधिक है, जिसमें $t = 207.47$ ms पर $P_r = 1.54$ का पीक प्रेशर देखा गया। अध्ययन निष्कर्ष निकालता है कि हाफ-फिलिंग समय पर इग्निशन असुरक्षित और अविश्वसनीय है।

2. स्टार्टिंग लोड और इंजेक्शन रणनीतियाँ

• फुल वर्किंग कंडीशन: बार-बार होने वाले बैकफायर के साथ मध्यम ओवरप्रेशर जोखिम प्रदर्शित करती है।
• 1/2 वर्किंग कंडीशन: सक्रिय इंजेक्टरों की संख्या कम करने (केवल निचला आधा हिस्सा) से औसत तापमान और रिएक्शन हीट कम हो जाती है, लेकिन विरोधाभासी रूप से फ्लो फील्ड की अस्थिरता के कारण ओवरप्रेशर की संख्या और आयाम बढ़ जाता है।
• 2/3 वर्किंग कंडीशन: सममित इग्निशन पोजीशन (इग्निशन पोजीशन 2) के साथ मध्य चार इंजेक्टरों का उपयोग जोखिम को काफी कम करता है। औसत प्रेशर पल्सेशन एम्प्लीट्यूड घटकर 0.61 kPa हो जाता है, और केवल एक मामूली ओवरप्रेशर घटना ($P_r = 1.072$) होती है, जो इंजेक्टर ④ के पास एक विशिष्ट ज्यामितीय स्ट्रेस कंसंट्रेशन के कारण होती है।

3. इष्टतम इग्निशन योजना (Optimal Ignition Scheme)

अध्ययन एक विशिष्ट अनुक्रमिक इग्निशन रणनीति को इष्टतम समाधान के रूप में पहचानता है:

1. एक स्थिर, सममित ज्वाला स्थापित करने के लिए केवल दो मध्य हाइड्रोजन इंजेक्टरों (③ और ④) को खोलें।
2. 50 ms के बाद, दहन का विस्तार करने के लिए आसन्न इंजेक्टरों (② और ⑤) को खोलें।
   परिणाम: यह सममित, चरणबद्ध दृष्टिकोण डिटेक्शन अवधि के दौरान बैकफायर की घटनाओं को पूरी तरह से समाप्त कर देता है। कोई भी ओवरप्रेशर इवेंट ($P_r \geq 1.05$) नहीं देखा गया। रिएक्शन हीट और प्रेशर फ्लक्चुएशन सुचारू रहते हैं, और ज्वाला असममित या गैर-अनुक्रमिक रणनीतियों में देखी गई हिंसक दोलनों के बिना स्थिरता से प्रसारित होती है।

महत्व और दावे

यह पेपर दावा करता है कि यह चीन के विमान हाइड्रोजन फ्यूल माइक्रो-मिक्सड कंबशन चैंबर्स के सुरक्षित और विश्वसनीय इग्निशन के लिए पहला सैद्धांतिक समर्थन प्रदान करता है, जो एक पहले से अनछुए शोध अंतराल को संबोधित करता है।

• ओवरप्रेशर का तंत्र: अध्ययन स्पष्ट करता है कि ओवरप्रेशर सीधे तौर पर बैकफायर से संबंधित है। यह तब होता है जब बैकफायर से उत्पन्न स्थानीय उच्च तापमान किनारों, कोनों, इंजेक्टर स्टेप्स और दीवारों से टकराता है, जिससे दबाव का संचय होता है।
• एकरूपता (Homogeneity) की भूमिका: शोध प्रदर्शित करता है कि मिश्रण की विषमता (inhomogeneity), अनुपयुक्त इग्निशन टाइमिंग और असममित इंजेक्शन स्थितियाँ ओवरप्रेशर की आवृत्ति और आयाम को बढ़ाने के प्राथमिक चालक हैं।
• व्यावहारिक अनुशंसा: लेखक निष्कर्ष निकालते हैं कि सममित स्थितियों के तहत हाइड्रोजन इंजेक्शन पोर्ट्स की संख्या को कम करना ओवरप्रेशर को कम करने का एक प्रभावी तरीका है। विशेष रूप से, "पहले दो मध्य, फिर विस्तार" वाली इग्निशन योजना को दहन अस्थिरता और विस्फोट जोखिमों को कम करने के लिए इष्टतम रणनीति के रूप में प्रस्तावित किया गया है।

अध्ययन इस बात पर जोर देता है कि जबकि सममित इंजेक्शन के साथ 2/3 लोड की स्थिति जोखिम को कम करती है, दो मध्य समूहों के बाद विस्तार वाली अनुक्रमिक इग्निशन प्रक्रिया सबसे कम ओवरप्रेशर जोखिम के साथ सबसे स्थिर प्रक्रिया प्रदान करती है।