固体燃料内の拡散と均一反応を考慮した構造変化を伴う大規模ガス化シミュレーショ ン
Project/Area Number |
21K03911
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Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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Allocation Type | Multi-year Fund |
Section | 一般 |
Review Section |
Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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Research Institution | Tohoku University |
Principal Investigator |
青木 秀之 東北大学, 工学研究科, 教授 (40241533)
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Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
松川 嘉也 東北大学, 工学研究科, 助教 (30882477)
松下 洋介 弘前大学, 理工学研究科, 教授 (80431534)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
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Keywords | DAEM / 大規模計算 / ニューラルネットワーク / 水性ガスシフト反応 / Stefan-Maxwell式 / コークス / 固体燃料 / 大規模シミュレーション / ガス化反応 |
Outline of Research at the Start |
本研究では,cmオーダの大きさの実際の固体燃料を対象に,数十μmオーダの解像度,数~数十億ボクセルでその構造を再現し,構造に由来した気孔内のガスの拡散および水性ガスシフト反応を正確に記述した上で,固体燃料のガス化反応の大規模シミュレーションを実施する.ガス化反応による固体燃料の構造の時間変化を表現することで,構造変化による反応律速や拡散律速などの反応モードの時間変化も再現する.さらに,初期の構造を均一とする従来のモデルと比較することで,実構造がガス化反応に及ぼす影響を明示し,実構造と構造の変化をこれまでパラメータとして用いられている空隙率や迷宮度などと比較して正確かつ優位であることを示す.
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Outline of Annual Research Achievements |
2022年度は,(1)詳細化学反応機構に基づく水性ガス化反応速度の定式化および(2)固体燃料モデルの大規模ガス化反応速度解析を行った.
検討(1): 詳細化学反応機構を数値流体解析(CFD)で同時に解くと非常に計算コストが大きく,実現困難である.そこで水性ガスシフト反応の反応速度を推測するニューラルネットワークを構築し,その予測精度について検証を行った.具体的にはニューラルネットワークに学習させるデータを作成するために,反応動力学ソフトウェアCantera を用いて詳細化学反応機構GRI-Mech 3.0に基づく解析を行い,それを学習させた.その後,主要化学種濃度と総括反応速度の関係を学習させた.その結果,推定値と評価データの差異は十分小さく,ニューラルネットワークは高精度で反応速度を予測した.これによって計算精度を保ったまま,計算コストを大きく削減することに成功した. 検討(2): 大規模ガス化反応速度解析を行った.2021年度にX線CTを用いて構築した2億ボクセルからなる固体燃料モデルおよび熱天秤(TG)により測定した固気反応速度を用いた.加えて検討(1)により構築したニューラルネットワークに基づく反応モデルを気相反応をCFDに組み込み,ガス化反応速度解析を行った.例えば,1100℃で周囲の水蒸気濃度を10mol%とした場合には,水蒸気ガス化反応を考慮することで反応速度がごくわずかに増加したが,1%以下の差異であった.
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Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
数値計算が大きなトラブル無く進んだことに加え,当初の予定にはなかった新手法を提案することができた.
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Strategy for Future Research Activity |
研究計画で挙げた必要な要素技術を今年度までに構築できた.大規模のCFD計算もおおむね実施済みであり,ケーススタディを追加で実行するだけで良い.得られた研究成果について,学会発表・論文投稿などを実施する.
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Report
(2 results)
Research Products
(6 results)