Large-scale gasification simulation with structural changes considering diffusion in porous solid fuels and homogeneous reactions

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21K03911
• 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: Tohoku University
• Principal Investigator: Aoki Hideyuki 東北大学, 工学研究科, 教授 (40241533)
• 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)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: Coke / X-ray CT / Large scale simulation / CFD / Neural network

Outline of Final Research Achievements

Large-scale simulations of gasification reactions of solid fuels were conducted on actual solid fuels with sizes on the order of centimeters. The structures were reproduced with resolutions on the order of tens of micrometers and several to several billion voxels, accurately describing the gas diffusion within pores derived from the structures and the homogeneous water-gas shift reactions. By comparing with conventional models that assume uniform initial structures, it was shown that the real structures and structural changes are more accurate and superior to parameters such as porosity and tortuosity that have been used to define the structure. Additionally, two new simulation methods were proposed in the course of advancing the research.

Free Research Field

移動現象

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

固体燃料は気孔を含む複雑な構造を有しており、固体燃料によっては異方性の高い構造を有する場合が多く、マクロ的な視点で評価する空隙率や評価方法が曖昧な屈曲度などのパラメータで表現するには限界がある。固体燃料内の気孔で生じる均一反応も考慮することで、実在燃料における、ガス拡散、均一反応や不均一反応の寄与を評価できるようになった。また、本課題の一環としてニューラルネットワークに基づく不均一反応の高精度のモデルパラメータ推算方法および均一反応のモデル化に関するニューラルネットワーク構築方法といった2つの新規手法を提案した。これらは今後のグリーントランスフォーメーションの進展に大きく寄与するものと考える。