Kinetics and modelling of chemical reactions on the surface and vicinity of solid fuels

Research Project

Project/Area Number	21K03891
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 19020:Thermal engineering-related
Research Institution	Hirosaki University
Principal Investigator	松下洋介弘前大学, 理工学研究科, 教授 (80431534)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	松川嘉也東北大学, 工学研究科, 助教 (30882477) 青木秀之東北大学, 工学研究科, 教授 (40241533)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2023-03-31
Project Status	Discontinued (Fiscal Year 2022)
Budget Amount *help	¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000) Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000) Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000) Fiscal Year 2021: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Keywords	熱移動 / 物質移動 / 燃焼 / 数値解 / 単一粒子 / シミュレーション / 固体燃料 / 不均一反応 / 詳細化学反応機構 / ラジカル / Stefan-Maxwell式
Outline of Research at the Start	本研究課題では，一見空間スケールを克服したと思われた，微粉炭燃焼シミュレーションなどの固気二相流解析で広く用いられているEuler-Lagrange法において表現できない粒子表面のごく近傍で生じる化学反応を詳細化学反応機構レベルで明らかにする．また，得られた知見をデータ・ベースに保存し，深層学習を併用することでモデル化し，微粉炭燃焼シミュレーションに容易に実装可能なモデルを構築することを目標とする．
Outline of Annual Research Achievements	今年度は，固体燃料の反応性が化学反応を伴う単一粒子周りの熱・物質移動に及ぼす影響を検討するため，不均一反応速度として，バイオマス・チャーを想定したチャーの部分酸化反応とCO2ガス化反応速度を入力してシミュレーションを実施した．具体的には，有限体積法に基づき，一次元球座標系において，連続の式，エネルギー保存式および化学種の保存式の数値解を求めた．境界条件である沖合のガスの温度と酸素濃度によらず，粒子周りの酸素および一酸化炭素濃のモル分率は粒子表面に向かってそれぞれ単調に減少および増加したのに対し，二酸化炭素のモル分率はr/dp = 1付近で極大を示した．また，粒子周りの温度はr/dp = 1付近で極大を示した．そのため，粒子のごく近傍において生じる発熱反応であるCOの酸化反応，粒子表面で生じる吸熱反応であるチャーのCO2ガス化反応の影響が大きいことが示唆された．境界条件である沖合の酸素のモル分率の増加に伴い，粒子周りのガスの温度分布は高温側にシフトした．また，境界条件である沖合の酸素のモル分率の増加に伴い，チャーの消費速度（チャーの部分酸化反応とCO2ガス化反応速度の和）は増加したものの，酸素のモル分率が高いほどその増加割合は減少した．この結果を検討するため，チャーの消費速度の内訳として，チャーの消費速度に対するチャーの部分酸化反応速度の割合を検討した．その結果，境界条件である沖合の酸素のモル分率が低い場合，チャーの部分酸化反応速度の割合はほぼ1であるのに対し，沖合の温度の上昇に伴い減少した。一方，沖合の酸素のモル分率が高い場合，チャーの部分酸化反応速度の割合は0.2と低い値でほぼ一定となった．そのため，酸素のモル分率は一定以上上昇させてもその効果は小さくなると考えられる．