[논문 리뷰] A new jet-stirred reactor for chemical kinetics investigations

Abbasali A. Davani, Paul D. Ronney|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 08.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 구형 챔버 내부에 정점에 배치된 상상의 입방체의 모서리에 배열된 8개의 충돌하는 난류 분사기와 농축형 링형 배출구(CIAO) 구성을 사용하여 뛰어난 혼합 균일성을 달성하는 새로운 제트 혼합 반응기(JSR) 설계를 소개한다. ANSYS-FLUENT에서 RANS- turbulent 응력 모델을 사용한 시뮬레이션 결과, 전통적인 4JIPP JSR보다 CIAO 설계가 더 균일한 온도와 조성 분포를 제공함으로써 더 높은 Damköhler 수에서 정확한 화학 동역학 연구가 가능해지고 반응 속도 상수는 실제 값에 훨씬 더 가까워진다.

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.

연구 동기 및 목표

• 화학 동역학 실험을 위한 더 나은 혼합 균일성을 달성하는 새로운 제트 혼합 반응기(JSR) 설계를 개발하는 것.
• 기존의 전통적 JSR 설계보다 성능을 향상시키기 위한 다수의 충돌 분사기 및 배출구의 최적 구성을 규명하는 것.
• 기존의 표준 JSR에서 이룩하기 어려웠던 더 높은 Damköhler 수(Da)에서의 실험을 가능하게 하는 것.
• 온도 및 조성의 공간 기울기를 최소화하여 이상적인 완전 혼합 반응기 가정에서의 편차를 줄이는 것.
• 비이상적인 혼합 효과를 최소화하여 유도된 반응 속도 상수의 정확성을 향상시키는 것.

제안 방법

• 구형 챔버 내부에 정점에 배열된 8개의 분사기를 갖는 새로운 JSR 구성을 설계하는 것.
• 각 분사기 주변에 농축형 링형 배출구(CIAO)를 구현하여 유량 제어 및 혼합 성능을 향상시키는 것.
• turbulent 혼합 및 반응 역학을 시뮬레이션하기 위해 ANSYS-FLUENT에서 RANS 기반의 응력 모델(RSM)을 사용하는 것.
• 동일한 운영 조건에서 전통적인 4JIPP JSR 기하구조와 CIAO 구성을 비교하는 것.
• 반응기 전체 부피에서 온도 및 성분 조성의 공간 균일성을 통해 혼합 성능을 평가하는 것.
• 모의 결과를 기준값과 비교하여 유도된 반응 속도 상수의 정확성을 평가하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 새로운 제트 혼합 반응기 구조는 기존의 4JIPP 설계보다 더 나은 혼합 균일성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 CIAO 구조는 근사적으로 이상적인 혼합 조건을 유지하면서 더 높은 Damköhler 수에서 작동할 수 있는가?
• RQ3 향상된 혼합이 완전 혼합 반응기 가정에서의 편차를 어느 정도 줄이는가?
• RQ4 새로운 설계에서는 기존의 JSR에 비해 반응 속도 상수를 얼마나 정확하게 유도할 수 있는가?
• RQ5 구형 챔버에서 혼합 균일성을 최대화하기 위해 분사기 및 배출구의 최적 기하 배열은 무엇인가?

주요 결과

• 8개의 분사기와 농축형 링형 배출구를 갖는 CIAO 구조는 기존의 4JIPP JSR보다 온도 및 조성 분포의 균일성이 뚜렷이 향상되었다.
• 이 새로운 설계는 기존 표준 JSR 실험에서 이룩하기 어려웠던 더 높은 Damköhler 수에서 작동할 수 있었으며 이상적인 완전 혼합 반응기 조건에 가까워졌다.
• CIAO 반응기에서는 온도 및 성분 농도의 공간 기울기가 상당히 감소하여 비이상적인 혼합 효과가 최소화되었다.
• CIAO 설계에서 유도된 반응 속도 상수는 기존의 4JIPP 구성에서 유도된 값보다 실제 값에 훨씬 더 가까웠다.
• RANS-응력 모델 시뮬레이션 결과, CIAO 설계가 다수의 혼합 및 반응 지표에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 모서리에 위치한 분사기와 링형 배출구를 갖춘 구형 챔버는 최적의 유량 분포 및 혼합 효율성을 제공하였다.