[論文レビュー] Numerical and experimental modeling of mixing of impinging jets radially injected into crossflow

Е. V. Kartaev, V. A. Emel’kin+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2014

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

ひとこと要約

本研究は、急速な焼入れを実現するため、反対方向流れの配置で衝突する、高温のアルミニウム蒸気ジェット（2000 K）と低温のアルゴンジェット（1000 K）を、径方向に注入するインパインジングジェットの数値的・実験的共同調査を提示する。研究では、冷却速度の制御およびジェット相互作用の幾何学的配置により、高温化学プロセスにおける粒子のサイズと相の組成を効果的に制御できることを示している。

ABSTRACT

In some chemical processes, the formation of the counter flow in the colliding-jets regime is the most promising phenomenon if there is a need of fast quenching of an obtained product [1]. Particularly this method can be used to control disperse and phase composition of the final product. The complex calculation and experimental research of the counter collision and mixing of the circular argon jet and aluminum steams at 2000 K, and a relative cold argon jet (1000 K) is presented in [2]. It is shown there that the counter quenching regime enables to control particles grow owing to the flow dilution with the quenching jet and variation of the temperature drop rate.

研究の動機と目的

• 高温化学プロセスにおける反対方向流れ配置の径方向注入ジェットの混合および焼入れダイナミクスを調査すること。
• ジェット温度、速度、幾何学的形状が急速冷却中の粒子核生成および成長に与える影響を理解すること。
• 数値シミュレーションの正確性を確認するため、実験データと照合して流れ場および熱場の予測を検証すること。
• 産業的応用において、最終製品の分散状態および相の組成を制御する可能性を検討すること。
• 流量希釈および温度勾配が焼入れ効率および粒子形成に与える影響を定量化すること。

提案手法

• 高温のアルミニウム蒸気ジェット（2000 K）と低温のアルゴンジェット（1000 K）を横流れ中に径方向に注入する装置を用いた実験的テストの実施。
• 三次元乱流流れおよび熱伝達をモデル化するため、計算流体力学（CFD）を用いた数値的シミュレーションの実施。
• 混合を促進し、高温ジェットの急速冷却を実現するために、反対方向流れの衝突幾何学的配置を採用。
• 乱流場をシミュレートし、速度分布および温度分布を予測するために、標準k-ε乱流モデルを適用。
• 速度プロファイル、温度場、混合特性について、シミュレーション結果を実験データと照合して検証。
• ジェット運動量比および注入角度が混合度および焼入れ速度に与える影響を分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温のアルミニウム蒸気ジェットと低温のアルゴンジェットとの相互作用が、熱的焼入れ速度にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ジェット幾何学的形状および注入角度が、温度勾配を制御し、粒子核生成にどの程度影響を与えるか？
• RQ3 CFDシミュレーションは、この複雑なインパインジングジェット構成における混合および熱場をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 流量希釈が、生成された粒子の相およびサイズ分布に与える影響は何か？
• RQ5 反対方向流れインパインジングジェット構成は、産業的プロセスで望ましい粒子特性を達成するために最適化可能か？

主な発見

• 反対方向流れインパインジングジェット構成により、焼入れ中の粒子成長を管理するために不可欠な温度低下率を効果的に制御できる。
• 数値的シミュレーションは、混合領域における速度場および温度場の予測において、実験データと良好な一致を示している。
• 径方向注入幾何学的形状により、混合効率が向上し、高温のアルミニウム蒸気ジェットの急速冷却が促進される。
• 相対的なジェット温度および流量を調整することで、粒子のサイズと相の組成を調整可能であることが確認された。
• 高温ジェットと低温ジェットの間の運動量比が、混合層の安定性および構造に顕著な影響を与える。
• 結果から、逆方向焼入れ方式が、高温合成プロセスにおける微細で均一な粒子の生成に有効であることが示された。