[논문 리뷰] Effect of particle clustering on radiative transfer in turbulent flows

M. A. Liberman, Nils Erland L. Haugen외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 09. 22.

Particle Dynamics in Fluid Flows인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 온도 기울기가 있는 유동에서 먼지 입자의 난류 응집이 투과도를 높여 복사선 침투를 증가시켜, 먼 거리에 있는 입자 군집이flame 복사선을 흡수하고 igniter 핵이 되도록 한다고 제안한다. 이 메커니즘은 효과적인 연소 속도와flame 표면적을 크게 향상시켜 Buncefield와 같은 비압축 먼지explosion에서 관찰된 높은 피해를 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 2005년 Buncefield 사고와 같은 비압축 먼지explosion에서 관찰된 높은 연소 속도와 과압을 설명하기 위해.
• 난류이자 온도 기울기가 있는 유동에서 입자 응집이 복사 전달과flame 전파에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 멀리 떨어진 입자 군집이 복사에 의해 점화될 수 있는지, 그리고 이로 인해 효과적인 연소 속도가 크게 증가하는지 판단하기 위해.
• 먼지explosion 응용 분야를 넘어 대기 및 천체물리적 맥락에서 입자 응집이 복사 과정에 미치는 영향을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 복사 전달 프레임워크를 사용하여 공간적으로 응집된 먼지 입자를 포함한 난류 유동에서의 복사 전달을 모델링하기 위해.
• 기본flame 앞의 온도 기울기가 있는 환경에서 입자 응집이 복사선 침투 길이에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• flame 복사선에 의한 입자 군집의 열적 노출을 평가하여, 점화핵으로서의 잠재력을 판단하기 위해.
• 가열된 군집으로부터의 2차 점화로 인해 발생하는 효과적인flame 표면적과 연소 속도의 증가를 정량화하기 위해.
• 실제 먼지explosion에서 관측된 피해 수준과 예측된 연소 향상 정도를 비교하기 위해.
• 입자 응집이 복사 전달에 미치는 영향을 대기물리학 및 천체물리학 분야로 확장하여 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 난류이자 온도 기울기가 있는 유동에서 입자 응집은 복사선 침투 길이에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 화염으로부터 멀리 떨어진 입자 군집이 얼마나 깊이 복사선에 의해 가열되어 점화핵이 될 수 있는가?
• RQ3 응집된 입자로부터의 2차 점화로 인해 효과적인 연소 속도가 얼마나 증가하는가?
• RQ4 응집에 의한 복사 투과도 향상은 비압축 먼지explosion에서 관찰된 높은 과압을 어떻게 설명하는가?
• RQ5 이 메커니즘은 대기 및 천체물리계에서 복사 전달에 어떤 광범위한 영향을 미치는가?

주요 결과

• 난류 유동에서의 입자 응집은 복사선 침투 길이를 크게 증가시켜, 기존 모델보다 훨씬 높은 투과도를 제공한다.
• 멀리 떨어진 입자 군집조차도flame 복사선에 의해 충분히 가열되어 점화핵으로 작용하며, 2차 연소를 유도한다.
• 이 2차 점화로 인해 효과적인flame 표면적과 반응물 소모 속도가 크게 증가한다.
• 이 메커니즘은 Buncefield 사고와 같은 주요 비압축 먼지explosion에서 관찰된 높은 연소 속도와 과압을 정량적으로 설명할 수 있다.
• 입자 응집이 복사 전달에 미치는 영향은 먼지explosion를 넘어서, 미세입자 매체를 포함한 대기 및 천체물리계에 응용 가능하다.