[論文レビュー] Effect of particle clustering on radiative transfer in turbulent flows

M. A. Liberman, Nils Erland L. Haugen+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2016

Particle Dynamics in Fluid Flows被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、温度勾配を持つ流れにおけるダスト粒子の乱流クラスタリングが、透過率を向上させることで放射線の透過を促進し、遠く離れた粒子クラスタが炎の放射線を吸収して igniter カーネルとなることを提案する。このメカニズムにより、有効な燃焼速度と炎表面積が著しく向上し、バンクフィールドのような閉鎖されていないダスト爆発で観察される高レベルの被害が説明できる。

ABSTRACT

It is known that unconfined dust explosions typically starts off with a relatively weak primary flame followed by a severe secondary explosion. We show that clustering of dust particles in a temperature stratified turbulent flow ahead of the primary flame may give rise to a significant increase in the radiation penetration length. These particle clusters, even far ahead of the flame, are sufficiently exposed and heated by the radiation from the flame to become ignition kernels capable to ignite a large volume of fuel-air mixtures. This efficiently increases the total flame surface area and the effective combustion speed, defined as the rate of reactant consumption of a given volume. We show that this mechanism explains the high rate of combustion and overpressures required to account for the observed level of damage in unconfined dust explosions, e.g., at the 2005 Buncefield vapor-cloud explosion. The effect of the strong increase of radiation transparency due to turbulent clustering of particles goes beyond the state-of-the-art of the application to dust explosions and has many implications in atmospheric physics and astrophysics.

研究の動機と目的

• 2005年のバンクフィールド事故のような閉鎖されていないダスト爆発で観察された高燃焼速度および過圧を説明すること。
• 乱流で温度勾配を持つ環境下における粒子クラスタリングが放射移動および炎の進行に与える影響を調査すること。
• 遠く離れた粒子クラスタが放射線によって点火され、有効な燃焼速度が著しく向上するかどうかを特定すること。
• ダスト爆発の応用を超えて、大気および天体物理学的文脈においても、粒子クラスタリングが放射過程に与える影響を検討すること。

提案手法

• 放射移動フレームワークを用いて、空間的にクラスタリングされたダスト粒子を含む乱流状態での放射移動をモデル化する。
• 一次炎の前触れとなる温度勾配を持つ環境下で、粒子クラスタリングが放射線透過長に与える影響を分析する。
• 炎の放射線による粒子クラスタの熱的露出を評価し、それらが点火核としての可能性を検証する。
• 加熱されたクラスタからの二次点火によって生じる有効な炎表面積および燃焼速度の増加を定量化する。
• 予測された燃焼強化効果を、実世界のダスト爆発における観察された被害レベルと比較する。
• 大気物理学および天体物理学的文脈において、粒子クラスタリングが放射過程に与える影響を含めた、より広範な意味合いへの分析を拡張する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 乱流で温度勾配を持つ環境下における粒子クラスタリングは、放射線透過長にどのように影響を与えるか？
• RQ2 炎から離れた位置に存在する粒子クラスタは、どの程度放射線によって加熱され、点火核として機能できるか？
• RQ3 クラスタリングによる二次点火によって、有効な燃焼速度はどの程度向上するか？
• RQ4 クラスタリングによる放射線透過性の向上は、閉鎖されていないダスト爆発で観察される高過圧をどのように説明できるか？
• RQ5 このメカニズムは、大気および天体物理学的系における放射移動にどのような広範な意味を持つのか？

主な発見

• 乱流状態における粒子クラスタリングは、従来のモデルをはるかに超える放射線透過長を著しく延長し、透過率を向上させる。
• 遠く離れた粒子クラスタですら、炎の放射線によって十分に加熱され、点火核として機能し、二次燃焼を引き起こす。
• この二次点火により、有効な炎表面積および単位体積内での反応物消費速度が著しく向上する。
• このメカニズムは、2005年のバンクフィールド事故のような主要な閉鎖されていないダスト爆発で観察された高燃焼速度および過圧を定量的に説明できる。
• 粒子クラスタリングが放射移動に与える影響は、ダスト爆発にとどまらず、微粒子を含む大気および天体物理学的系においても、放射過程に影響を与える可能性を示唆する。