解析概要

Advance/FrontFlow/redに実装されている総括反応モデルを用いてプール火炎の解析を行いました。

解析領域は図１のようにとります。図中のプール面からプロパンが蒸発率0.2\([\rm{kg}/\rm{s}⋅\rm{m}^2]\)で一様に蒸発していきます。蒸発したプロパンは空気中の酸素と化学反応を起こし燃焼します。また、その際に発生する環境汚染物質(一酸化炭素とすす)の発生も考慮します。

図1 計算領域サイズ(左図)とプールサイズ(右図)。単位はメートル。

図2 計算に用いたテトラ格子

計算条件の概要

シミュレーションの計算条件は以下のように設定します。

1　計算格子

要素数27,000のテトラメッシュ(図２)を用います。

2 境界条件

底面、四方の側面を壁境界とし、プール面を熱分解を含む境界条件とします。 その他の面は全て、自然大気の流出条件とします。

3 計算設定

時間積分法はオイラー陰解法で計算します。移流項離散化スキームは運動方程式については2次精度の中心差分で、エネルギー方程式と化学種の保存式については1次精度風上差分で計算を行います。

4 燃焼モデル

以下の化学反応式を総括反応モデルで扱います。

\[C_3 H_3 + \nu_{O_2} O_2 \rightarrow \nu_{CO_2} CO_2 +\nu_{H_2O} H_2O + \nu_{CO} CO + \nu_{Soot} Soot\]

解析結果

時刻20[s]における瞬時分布を図3、4に示します。 各化学種の分布は図3のようになります。化学種間で分布の傾向は共通しています。 流れ場の温度分布と速度分布は図４のようになります。図3の化学種の分率が大きくなっている個所で高温になっていて、最高温度は1600[K]に達しています。速度ベクトルから熱対流が起こっている様子が分かります。

図3 各化学種の質量分率等高線図(時刻20[s]における瞬時分布)

図4 左から、温度等高線図、速度ベクトル場、速度鉛直成分等高線図(時刻20[s]における瞬時分布)。

適用例

• 拡散燃焼(バーナー性能評価など)