[논문 리뷰] A wall-function approach for direct precipitation/crystallization fouling in cfd modelling

Sverre Gullikstad Johnsen, Stein Tore Johansen외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 09.

Fluid Dynamics and Heat Transfer인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 난류 다성분 유동에서 직접 강하/결정화 묻어남을 모델링하기 위한 벽 함수 기반 CFD 프레임워크를 제시한다. 맥스웰-스테판 확산, 화학적 평형 회복 모델, 레이놀즈 평균 나비에-스토크스 방정식을 조합함으로써 벽에 수직 방향으로 물질 및 열의 이동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있으며, 결과적으로 경계층을 해상하는 것이 4성분 이상의 이상 기체 혼합물에서 침전 및 반응 효과를 예측하는 데 핵심적임을 보여준다.

ABSTRACT

The main objective of this paper is to present a generic modelling framework, for the diffusive mass transport through the turbulent, reactive boundary layer of multi-component fluid mixtures that precipitate on the wall. The modelling is based on Maxwell-Stefan diffusion in multi-component mixtures, the relaxation to chemical equilibrium model, and the single-phase Navier-Stokes equations. Final-ly, turbulence is introduced by Reynolds-averaging. The governing equations are simplified in accordance with common assumptions of computational fluid dynamics (CFD), and based on the assumption that the over-all bulk flow is parallel to the wall, 1-dimensional equations for the species and heat transport perpendicular to the wall have been formulated. The equations are solved on a fine grid in order to fully resolve the boundary layer, and the effect of allowing/disallowing deposition and chemical reactions was investigated for a simplified test-case (4-component ideal mixture of perfect gasses capable of chemical reaction and sublimation fouling). The developed framework can be employed as a sub-grid model for direct precipitation/crystallization/solidifica-tion fouling in coarse grid CFD models.

연구 동기 및 목표

• 난류 반응성 경계층에서 침강 질량 이동을 위한 일반적인 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 벽 근처에서 물질 이동 및 화학 반응이 일어나는 다성분 반응성 유체 혼합물의 시뮬레이션 과제를 해결하기 위해.
• 세밀한 격자 해상도로 경계층을 해상함으로써 묻어남 예측의 정확성을 높이기 위해.
• 단순화된 시험 케이스에서 침전 및 화학 반응이 묻어남 형성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 강하/결정화 묻어남에 대한 거친 격자 CFD 시뮬레이션에 활용 가능한 서그리드 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 균일한 유량 조건 하에 벽에 수직 방향으로 1차원 물질 및 열 이동 방정식을 수립하기 위해.
• 경계층 내 다성분 질량 이동을 모델링하기 위해 맥스웰-스테판 확산을 적용하기 위해.
• 경계층 내 반응성 물질에 대해 화학 평형으로의 회복 모델을 통합하기 위해.
• 배경 흐름 내 난류를 모델링하기 위해 레이놀즈 평균 나비에-스토크스(RANS) 방정식을 사용하기 위해.
• 경계층의 구조를 완전히 해상하기 위해 고해상도 격자에서 제어 방정식을 해석하기 위해.
• 거친 격자 CFD 시뮬레이션에 통합하기 위한 서그리드 모델 접근법을 구현하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 침전 및 화학 반응의 포함 여부가 경계층 내 물질 농도 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 난류 경계층을 해상함으로써 강하/결정화 묻어남을 예측하는 데 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다성분 확산 및 화학 평형 역학이 반응성 기체 혼합물에서 묻어남 형성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 개발된 프레임워크가 거친 격자 CFD 시뮬레이션에서 묻어남에 대한 효과적인 서그리드 모델로 기능할 수 있는가?
• RQ5 경계층 내에서 확산, 반응, 대류가 묻어남 과정에 전체적으로 기여하는 비율은 각각 얼마인가?

주요 결과

• 세밀한 격자로 경계층을 해상하는 것이 침전 및 화학 반응이 물질 분포에 미치는 영향을 정확히 포착하는 데 필수적임을 입증하였다.
• 화학 반응 존재 시 벽 근처에서 농도 기울기가 크게 변화하여 침전의 속도 및 위치에 영향을 미친다.
• 침전 또는 반응 동역학을 간과할 경우 시험 케이스에서 묻어남 잠재력이 과소평가됨을 모델이 입증하였다.
• 프레임워크는 평형 조건 하에서 4성분 이상의 이상 기체 혼합물에서 승화 및 결정화 과정을 성공적으로 시뮬레이션하였다.
• 개발된 접근법은 거친 격자로 이루어진 산업 규모의 CFD 시뮬레이션에 활용 가능한 서그리드 모델로 이식 가능하다.
• 결과는 벽 함수 접근법이 난류 흐름, 질량 이동, 표면 반응 간 물리적으로 일관된 결합을 가능하게 함을 확인하였다.