T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, H. Suzuki, T. Hayase, Y. Ito
Visualization of turbulent reactive jet by using direct numerical simulation
International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing 4 1341001 2013
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Electronic version of an article published as [International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing, Vol. 4, p. 1341001 (2013)] [10.1142/S1793962313410018] © [copyright World Scientific Publishing Company] [https://www.worldscientific.com/worldscinet/ijmssc ]This article may be found at https://doi.org/10.1142/S1793962313410018.
Abstract
Direct numerical simulation (DNS) of turbulent planar jet with a second-order chemical reaction (A + B → R) is performed to investigate the processes of mixing and chemical reactions in spatially developing turbulent free shear flows. Reactant A is premixed into the jet flow, and reactant B is premixed into the ambient flow. DNS is performed at three different Damköhler numbers (Da = 0.1,1, and 10). Damköhler number is a ratio of a time scale of a flow to that of chemical reactions, and in this study, the large Da means a fast chemical reaction, and the small Da means a slow chemical reaction. The visualization of velocity field shows that the jet flow is developed by entraining the ambient fluid. The visualization of concentration of reactant A shows that concentration of reactant A for Da = 1 and 10 becomes very small in the downstream region because the chemical reaction consumes the reactants and reactant A is diffused with the jet development. By comparison of the profiles of chemical reaction rate and concentration of product R, it is found that product R for Da = 10 is produced by the chemical reaction at the interface between the jet and the ambient fluids and is diffused into the jet flow, whereas product R for Da = 0.1 is produced in the jet flow after reactants A and B are well mixed.
日本語訳 (DeepL翻訳)
直接数値シミュレーションによる乱流反応ジェットの可視化
空間発達する乱流自由せん断流れにおける混合と化学反応の過程を調べるために，2次化学反応（A + B → R）を伴う乱流平面噴流の直接数値シミュレーション（DNS）を行った．反応物Aはジェット流に、反応物Bは周囲流に予混合される。DNSは3種類のDamköhler数（Da = 0.1、1、10）で実行されます。ダムケーラー数とは、流れの時間スケールと化学反応の時間スケールの比であり、本研究では、Daが大きいと化学反応が速く、小さいと化学反応が遅いことを意味する。速度場の可視化により、周囲流体を巻き込みながらジェット流が発達していることがわかる。反応物質Aの濃度を可視化すると、Da = 1と10では、化学反応によって反応物質が消費され、ジェットの発達に伴って反応物質Aが拡散するため、下流域で反応物質Aの濃度が非常に小さくなっていることが分かります。化学反応速度と生成物Rの濃度プロファイルを比較すると、Da = 10の生成物Rはジェットと周囲流体の界面で化学反応により生成されジェット流に拡散するのに対し、Da = 0.1の生成物Rは反応物AとBがよく混合した後にジェット流で生成されることが分かった。
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