[論文レビュー] A wall-function approach for direct precipitation/crystallization fouling in cfd modelling

Sverre Gullikstad Johnsen, Stein Tore Johansen+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2017

Fluid Dynamics and Heat Transfer被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、乱流で多成分が存在する流れにおける直接的な雨下ろし／結晶化汚れのモデル化を目的とした、壁関数に基づくCFDフレームワークを提示する。Maxwell-Stefan拡散、化学平衡緩和、およびレインolds平均化されたナビエ＝ストークス方程式を組み合わせることで、壁に垂直な物質および熱輸送の正確なシミュレーションが可能となり、境界層を解像することが4成分の理想気体混合物における沈着および反応効果を予測する上で極めて重要であることが示された。

ABSTRACT

The main objective of this paper is to present a generic modelling framework, for the diffusive mass transport through the turbulent, reactive boundary layer of multi-component fluid mixtures that precipitate on the wall. The modelling is based on Maxwell-Stefan diffusion in multi-component mixtures, the relaxation to chemical equilibrium model, and the single-phase Navier-Stokes equations. Final-ly, turbulence is introduced by Reynolds-averaging. The governing equations are simplified in accordance with common assumptions of computational fluid dynamics (CFD), and based on the assumption that the over-all bulk flow is parallel to the wall, 1-dimensional equations for the species and heat transport perpendicular to the wall have been formulated. The equations are solved on a fine grid in order to fully resolve the boundary layer, and the effect of allowing/disallowing deposition and chemical reactions was investigated for a simplified test-case (4-component ideal mixture of perfect gasses capable of chemical reaction and sublimation fouling). The developed framework can be employed as a sub-grid model for direct precipitation/crystallization/solidifica-tion fouling in coarse grid CFD models.

研究の動機と目的

• 乱流で反応する境界層における拡散的物質輸送を対象とする汎用的なモデル化フレームワークの開発。
• 壁に近接して物質輸送および化学反応が進行する多成分で反応性の高い流体混合物のシミュレーションにおける課題に対処すること。
• 境界層を細かく解像することで、汚れの正確な予測を可能とすること。
• 簡略化されたテストケースにおいて、沈着および化学反応が汚れ形成に与える影響を評価すること。
• 粗めのグリッドを用いたCFDシミュレーションにおける雨下ろし／結晶化汚れのシミュレーションに利用可能な準グリッドモデルの提供。

提案手法

• 壁に垂直な1次元の物質および熱輸送方程式の定式化。ただし、一様な流れを仮定する。
• 境界層内での多成分物質移動をモデル化するためにMaxwell-Stefan拡散を適用する。
• 境界層内での反応性物質に対して、化学平衡への緩和モデルを組み込む。
• 乱流を記述するため、レインolds平均化ナビエ＝ストークス（RANS）方程式を用いる。
• 境界層構造を完全に解像するために、細かいグリッド上で支配方程式を解く。
• 粗いグリッドを用いたCFDシミュレーションへの統合を目的として、準グリッドモデル手法を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 沈着および化学反応の取り入れが、境界層内での物質濃度プロファイルに与える影響は何か？
• RQ2 乱流境界層を解像することの、雨下ろし／結晶化汚れの予測に与える影響は何か？
• RQ3 多成分拡散および化学平衡ダイナミクスが、反応性ガス混合物における汚れ形成に与える影響は何か？
• RQ4 開発されたフレームワークは、粗いグリッドを用いたCFDシミュレーションにおける有効な準グリッドモデルとして機能できるか？
• RQ5 境界層内での物質輸送過程において、拡散、反応、および対流の相対的寄与度は何か？

主な発見

• 境界層の細かいグリッド解像が、沈着および化学反応が物質分布に与える影響を正確に捉えるために不可欠である。
• 化学反応の存在が、壁に近接する濃度勾配を顕著に変化させ、沈着の発生速度および場所に影響を与える。
• 本モデルは、沈着または反応速度論を無視すると、テストケースにおいて汚れの可能性が低く見積もられることを示している。
• フレームワークは、平衡条件下における4成分の理想気体混合物における昇華および結晶化プロセスを効果的にシミュレートできた。
• 開発された手法は、粗いグリッドを用いた産業スケールのCFDシミュレーションに応用可能な準グリッドモデルとして容易に移行可能である。
• 結果から、壁関数手法が乱流流れ、物質移動、表面反応の間で物理的に整合性のある結合を可能にすることが確認された。