炭素生成を伴う熱分解反応に対するTabulated Chemistryの提案

2021 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20K22380
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 松川 嘉也 東北大学, 工学研究科, 助教 (30882477)
• Project Period (FY): 2020-09-11 – 2022-03-31
• Keywords: Tabulated Chemistry / 固体炭素 / すす

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、固体炭素の生成を伴う熱分解反応に対して、化学反応と流体のタイムスケールが異なることを利用して両者切り離して考えるTabulated Chemistryに基づくデータベースを構築する手法を新たに提案する。
最終年度である令和３年度は、令和２年度に明らかにした３つのControl Variableを考慮し、まず栓流反応器(PFR)をモデル反応場としてデータベースを構築した。すすの生成を考慮するためには、すすの粒子成長を考慮した輸送方程式を連成する必要があり、計算精度の観点からセクショナル法に基づいてそのコーディングを行った。
また、熱分解時における温度の変動を考慮したシミュレーションを実施し、熱分解においては温度の変動の影響が極めて小さいことを明らかにした。
小規模な解析対象を対象として、詳細化学反応機構およびセクショナル法を流体計算(CFD)に連成させたシミュレーションとTabulated Chemistryおよびセクショナル法を流体計算(CFD)に連成させたシミュレーションとを比較し、Tabulated Chemistryを用いることで計算速度が20倍となったことを確認した。20倍にとどまったのは、セクショナル法に関する計算負荷が大きいことがあげられる。数百万格子程度の解析対象であれば、スーパーコンピューターを用いることで、固体炭素の生成を伴う熱分解反応のCFDシミュレーションを実施可能となった。
今後は、研究をさらに進展させ、乱流の影響のさらなる検討を試みたい。乱流モデルとしてLESモデルを用い、乱流の影響を検討する。そのためにはさらに大規模なシミュレーションを行えるよう、計算速度の向上が必要である。