[論文レビュー] A new jet-stirred reactor for chemical kinetics investigations

Abbasali A. Davani, Paul D. Ronney|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Combustion and flame dynamics参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、球状のキャビネット内に配置された8本の衝突する乱流ジェットを同心円状の排出口（CIAO）構成で配置した、新しいジェットステアムリアクタ（JSR）設計を紹介する。ANSYS-FLUENTを用いたRANS-乱流応力モデル（RSM）によるシミュレーションでは、CIAO設計が古典的な4JIPP JSRと比較して、より均一な温度および組成分布を実現しており、より高いDamköhler数での化学速度論的研究が可能となり、反応速度定数が実際の値にはるかに近くなることが示された。

ABSTRACT

A novel jet-stirred reactor was designed to study combustion processes at low Damköhler number (Da, ratio of residence time to chemical time), i.e. chemical kinetics. In this new design, multiple impinging turbulent jets are used to stir the mixture. The goal of this work is to identify an optimal configuration of multiple pairs of impinging jets and outlet ports for as a Jet-Stirred Reactor (JSR) for chemical kinetics experiments. With this motivation, ANSYS-FLUENT computations using the RANS - Reynolds Stress Model were used to simulate mixing and reaction in such geometries and their performance was compared to classical JSR (4 Jets In Plus (+) Pattern (4JIPP) introduced by Matras & Villermaux 1973; Dagaut et al. 1986; etc.). Results showed that a configuration of 8 jets, each surrounded by a concentric annular outlet (CIAO), at the corners of an imaginary cube circumscribed by a spherical chamber provided far more uniform composition and temperature and thereby more nearly match the idealizations assumed in well-stirred reactor theory, even at values of Da higher than those accessible to other JSR experiments. Moreover, the CIAO design yielded inferred reaction rate constants that were much to the actual values than the classical JSR design.

研究の動機と目的

• 化学速度論実験に適した、より優れた混合均一性を実現する新しいジェットステアムリアクタ（JSR）設計を開発すること。
• 古典的なJSR設計を上回る性能を発揮する複数の衝突ジェットおよび排出口の最適配置を特定すること。
• 従来のJSRでは実現が難しかった、より高いDamköhler数（Da）での実験を可能にすること。
• 温度および組成の空間勾配を最小限に抑えることで、理想の混合 stirred 反応器の仮定からのずれを低減すること。
• 非理想的な混合効果を最小限に抑えることで、推定された反応速度定数の正確性を向上させること。

提案手法

• 球状キャビネット内に、仮想の立方体の各隅に配置された8本のジェットを有する新しいJSR構成を設計すること。
• 各ジェットの周囲に同心円状の排出口（CIAO）を設け、流れの制御および混合効率を向上させること。
• ANSYS-FLUENTを用いて、RANSに基づく乱流応力モデル（RSM）を用いて乱流混合および反応ダイナミクスをシミュレートすること。
• 同一の操作条件下で、CIAO構成と古典的な4JIPP JSR幾何形状を比較すること。
• 反応器全体における温度および成分組成の空間均一性を評価することで、混合性能を測定すること。
• シミュレート結果と基準値を比較することで、推定された反応速度定数の正確性を評価すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 新しいジェットステアムリアクタ構成は、古典的な4JIPP設計よりも優れた混合均一性を達成できるか？
• RQ2 CIAO構成は、理想的な混合に近い状態を維持しつつ、より高いDamköhler数での運転を可能にするか？
• RQ3 向上した混合効果によって、混合 stirred 反応器の仮定からのずれはどの程度低減されるか？
• RQ4 新しい設計では、古典的なJSRと比較して反応速度定数はどの程度正確に推定できるか？
• RQ5 球状キャビネット内での混合均一性を最大化するために、ジェットおよび排出口の最適な幾何配置は何か？

主な発見

• 8本のジェットと同心円状の排出口を備えたCIAO構成は、古典的な4JIPP JSRと比較して、顕著に均一な温度および組成分布を実現した。
• この新設計により、従来の標準JSR実験では達成できなかったより高いDamköhler数での運転が可能となり、理想の混合 stirred 反応器状態に近づいた。
• CIAOリアクタでは、温度および成分濃度の空間勾配が著しく低減され、非理想的な混合効果が最小限に抑えられた。
• CIAO設計から推定された反応速度定数は、古典的な4JIPP構成から得られた値と比較して、実際の値にはるかに近かった。
• RANS-乱流応力モデルのシミュレーション結果は、CIAO設計が複数の混合および反応指標において優れた性能を発揮することを確認した。
• 隅に配置されたジェットと環状の排出口を備えた球状キャビネットは、最適な流れの分配および混合効率を提供した。