[论文解读] A new jet-stirred reactor for chemical kinetics investigations

Abbasali A. Davani, Paul D. Ronney|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2018

Combustion and flame dynamics参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文提出一种新型喷射搅拌反应器（JSR）设计，采用八个撞击式湍流喷射流在球形容器内以同心环形出口（CIAO）构型排列，实现更优的混合均匀性。在 ANSYS-FLUENT 中使用 RANS-雷诺应力模型（RSM）的模拟结果表明，CIAO 设计在温度和组分分布上比经典的 4JIPP JSR 更为均匀，从而可在更高的 Damköhler 数下进行准确的化学动力学研究，并使推导出的反应速率常数更接近真实值。

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.

研究动机与目标

• 开发一种新型喷射搅拌反应器（JSR）设计，以实现更优的混合均匀性，适用于化学动力学实验。
• 确定多个撞击喷嘴与排出口的最优配置，以提升性能，超越传统 JSR 设计。
• 实现以往常规 JSR 难以实现的更高 Damköhler 数（Da）下的实验操作。
• 通过最小化温度和组分的空间梯度，减少对理想连续搅拌反应器假设的偏离。
• 通过最小化非理想混合效应，提高推导出的反应速率常数的准确性。

提出的方法

• 在球形容器内设计一种新型 JSR 构型，将八个喷嘴布置在想象立方体的四个角上。
• 在每个喷嘴周围设置同心环形排出口（CIAO），以增强流动控制与混合效果。
• 在 ANSYS-FLUENT 中采用基于 RANS 的雷诺应力模型（RSM）模拟湍流混合与反应动力学。
• 在相同操作条件下，将 CIAO 构型与经典的 4JIPP JSR 几何结构进行对比。
• 通过评估反应器体积内温度和组分分布的空间均匀性，评价混合性能。
• 通过将模拟结果与参考值对比，评估推导出的反应速率常数的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 新型喷射搅拌反应器构型是否能实现比经典 4JIPP 设计更优的混合均匀性？
• RQ2 CIAO 构型是否能在保持近似理想混合的同时，实现更高的 Damköhler 数操作？
• RQ3 更优的混合在多大程度上减少了对理想连续搅拌反应器假设的偏离？
• RQ4 与经典 JSR 相比，新设计中推导出的反应速率常数的准确性如何？
• RQ5 在球形容器中，喷嘴与排出口的何种几何排列可实现最大混合均匀性？

主要发现

• 采用八个喷嘴与同心环形排出口的 CIAO 构型，其温度与组分分布的均匀性显著优于经典的 4JIPP JSR。
• 该新设计实现了以往标准 JSR 实验难以达到的更高 Damköhler 数操作，更接近理想连续搅拌反应器条件。
• CIAO 反应器中温度与组分浓度的空间梯度显著降低，有效减少了非理想混合效应。
• 从 CIAO 设计中推导出的反应速率常数比经典 4JIPP 构型更接近真实值。
• RANS-雷诺应力模型的模拟结果证实，CIAO 设计在多个混合与反应指标上均表现出更优性能。
• 球形容器中喷嘴布置于角落、排出口为环形的结构，提供了最优的流场分布与混合效率。