次の記事では、水中燃焼のCFDシミュレーションについて、弊社技術顧問のS.V. Zhubrinによる最近の成果と新しい展望の概要を説明します。
| 水中燃焼[1]は、ガスまたは液体燃料の燃焼により、液体または溶融物の表面下で高温の燃焼生成物が放出されるプロセスです。これには、燃焼ガスを液体または溶融物と直接接触させることによって最大の熱伝達率を達成するという利点があります。この技術の産業用途は、2つの主要な分野に存在します。1つ目は、液中燃焼装置（SCD）を使用した液体の加熱および/または蒸発に関するものです。2つ目は、有害廃棄物処理、ケイ酸塩材料の溶解、ミネラルウールの製造、ガラス製造などの溶融技術に水中燃焼溶融機（SCM）を使用します。SCMは常に、溶融物の中または下に沈められたバーナーで配置されますが、SCDは、ほとんどの場合、沈められた排気システムを備えた液面より上のバーナーを使用します。 |
図１ ガスリフト蒸発器周りの液相速度ベクトルとガス相の体積分率 |
PHOENICSに組み込まれているIPSA [2]二相流モデルの基礎式では、各相の体積分率方程式が使用されます。これには、単位時間、単位体積あたりの各相間の質量移動、相密度、相速度および気相乱流分散を説明するための相間拡散係数が含まれます。さらに、蒸発と凝縮のプロセスも表しています。各相の体積分率も、全体的な連続性を満たすために合計して1になるという要件を通じて、相互に関連しています。
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保存方程式は、多くの気相変数についても解かれます。これには、通常、速度ベクトル３成分、すべての主要な関与する化学種のエンタルピーと質量分率、および必要に応じて希釈物などのマイナーなものも含まれます。液相の場合、方程式は速度ベクトル３成分、エンタルピー、およびすべての液体成分の質量分率について解かれます。これらの保存方程式はすべて、相の体積分率方程式と同様の形式ですが、たとえば質量、運動量、エネルギーの交換に関連するものなど、乱流拡散と相間移動プロセスを表す追加の項があります。これらの方程式には、燃料と空気の気相混合物のガス状燃焼生成物への発熱化学変換の速度に関係するものを含む、相内の発生ソースもあります。後者は、渦散逸アプローチによって表されるガス内化学-乱流相互作用によって生成されます。 2つの乱流拡散項が保存方程式で取り上げられています。 1つは相の乱流拡散による保存された特性の交換に関与し、もう1つは相内の乱流拡散に関与します。 |
図２ ガス分裂サイズ分布 |
乱流輸送を計算するために、両方の相が同じ混合乱流粘度と対応する拡散係数を共有すると仮定されます[3]。混合物の乱流粘度の値は、相流の乱流粘度の体積分率平均として計算されます。これは、相の絶対速度と最も近い壁までの距離によって計算されます。
後者は、サブセルソリッドインサートの配列を考慮した距離関数微分方程式から計算されます[4]。相変化を伴う気液混相流における支配的な気相の分裂サイズ[6,7]による場の分布は、相間運動量伝達の相互関係[5]と、輸送方程式の平衡限界に基づくモデルを使用して計算されます。後者は、物質移動によるサイズの縮小と拡大、およびガスの崩壊や合体などの分裂サイズの変化を引き起こす可能性のある他のメカニズムを可能にします。
現在の本稿では、PHOENICSのIPSA二相流ソルバーを効率的な計算ツールに変換して、運動量、熱、物質移動、および水中燃焼技術の化学的および相変化による気液の移行を計算する方法について説明しました。開発された方法は、流れを確認するモデル（Stream Recognition Model ）[8]などの高度な乱流による化学反応と放射相互作用を備えたさらなる燃焼サブモデル、およびガス分裂サイズの変化、たとえば局所的なの気液分布のバランスによって気相の分裂が影響を受けることを容易に組み込むことができます。
1. Collier, J.G.: Submerged combustion,
http://www.thermopedia.com/content/1164/ (2011).
2. Spalding, D.B.: Numerical computation of multi-phase flow and heat transfer. Contribution to: ‘Recent Advances in Numerical Methods in Fluids. P139-167, Eds. C.Taylor & K.Morgan, Pineridge Press, Swansea, UK (1980)
http://www.cham.co.uk/phoenics/d_polis/d_lecs/ipsa/ipsa.htm
3. Zhubrin, S.V.: Zero-equation turbulence model for gas-liquid simulations, July 2006,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.4558.5442
4. Zhubrin, S.V.: Computations of wall distances for distributed resistance analogy, August 2015,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.4845.5524
5. Zhubrin, , S.V.: Inter-phase Momentum Transfer for Phase Inversion Conditions, July 2004,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.4578.5125
6. Agranat, V.M., Zhubrin, S.V., Maria, A., Kawaji, M.: Gas-liquid flow analyser for water electrolysis, March 2006,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.1.3044.5605
7. Zhubrin, S.V.: An algebraic fragment-size model for gas-liquid flows with phase inversion, November 2007,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.17697.66400
8. Zhubrin, , S.V.: Development of stream recognition model of transported probabilities for turbulent flames, January 2018,
https://dx.doi.org/10.13140/RG.2.2.30732.006
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