[논문 리뷰] Numerical and experimental modeling of mixing of impinging jets radially injected into crossflow

Е. V. Kartaev, V. A. Emel’kin외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 02.

Combustion and flame dynamics참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 고온의 알루미늄 수증기 분사류(2000 K)와 낮은 온도의 아르곤 분사류(1000 K)를 반경방향으로 주입하여 역류 형식으로 충돌시켜 급속 냉각을 달성하는 복합 수치적 및 실험적 연구를 제시한다. 연구는 온도 저하 속도와 분사류 상호작용 기하구조를 제어함으로써 고온 화학 공정에서 입자 크기와 상 조성을 효과적으로 제어할 수 있음을 입증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고온 화학 공정에서 역류 형식으로 주입된 반경방향 분사류의 혼합 및 냉각 역학을 조사하기 위해.
• 분사류 온도, 속도 및 기하구조가 급속 냉각 중 입자 핵형성 및 성장에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 유동 및 열장 예측 정확도를 확보하기 위해 수치 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 검증하기 위해.
• 산업적 응용에서 최종 제품의 분산성 및 상 조성을 제어할 잠재력을 탐색하기 위해.
• 유동 희석 및 온도 기울기가 냉각 효율성과 입자 형성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 고온 알루미늄 수증기 분사류(2000 K)와 냉각 아르곤 분사류(1000 K)를 횡류에 반경방향으로 주입하는 실험 장치를 사용하여 실험 테스트를 수행하였다.
• 세차원 난류 유동 및 열전달을 모델링하기 위해 유체역학적 수치 시뮬레이션(CFD)을 수행하였다.
• 혼합을 향상시키고 고온 분사류의 급속 냉각을 촉진하기 위해 역류 충돌 기하구조를 적용하였다.
• 난류 유동장 예측을 위해 표준 k-ε 난류 모델을 사용하여 속도 및 온도 분포를 예측하였다.
• 유속 프로파일, 온도장 및 혼합 특성에 대해 시뮬레이션 결과를 실험 데이터와 비교하여 검증하였다.
• 분사류 운동량 비율과 주입 각도가 혼합 범위 및 냉각 속도에 미치는 영향을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고온 알루미늄 수증기 분사류와 냉각 아르곤 분사류 간의 상호작용이 열 냉각 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 분사류 기하구조와 주입 각도가 온도 기울기를 조절하여 입자 핵형성에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ3 CFD 시뮬레이션은 이 복잡한 충돌 분사류 형상에서 혼합 및 열장 예측에 얼마나 정확한가?
• RQ4 유동 희석이 형성된 입자의 상 및 크기 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 역류 충돌 분사류 형상은 산업 공정에서 원하는 입자 특성을 달성하기 위해 최적화될 수 있는가?

주요 결과

• 역류 충돌 분사류 형상은 냉각 중 입자 성장 제어에 핵심적인 온도 저하 속도를 효과적으로 제어할 수 있다.
• 수치 시뮬레이션은 혼합 영역의 속도 및 온도장을 예측하는 데 실험 데이터와 양호한 일치를 보였다.
• 반경방향 주입 기하구조는 혼합 효율을 향상시키고 고온 알루미늄 수증기 분사류의 급속 냉각을 촉진한다.
• 연구는 상대적 분사류 온도 및 유량 조절을 통해 입자 크기 및 상 조성을 조절할 수 있음을 확인하였다.
• 고온 및 저온 분사류 간의 운동량 비율은 혼합층의 안정성과 구조에 상당한 영향을 미친다.
• 결과는 역냉각 제도가 고온 합성 공정에서 미세하고 균일한 입자를 생산하는 데 실현 가능한 방법임을 보여주었다.