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水性ガスシフト反応による一酸化炭素混合気の改質

更新:2017/7/28
OpenFOAM 4.x

ケース

$FOAM_TUTORIALS/multiphase/reactingTwoPhaseEulerFoam/RAS/bubbleColumnEvaporatingReacting

概要

解析モデル 解析モデル

水中に吹込まれた一酸化炭素を含む空気が水性ガスシフト反応CO\ + H2O\ \rightleftarrows\ CO2\ + H2によって改質される様子を100秒分、計算します。Z 方向は1メッシュとして2次元問題として計算を行います。

初期状態では解析領域には半分まで水が満たされたているものとします。解析領域の下部にある領域 inlet から流速 (0, 0.1, 0) m/s で液体の水と、一酸化炭素が 10% 混ざった気体空気が流入します。解析領域内では水が蒸発して水蒸気へと変わり、水蒸気と一酸化炭素が反応を起こして二酸化炭素と水素が生成され、それらが領域 outlet から流出します。

化学反応の特性はファイル constant/reactions.gas で以下の様に指定します。

species
(
    CO
    CO2
    H2
    H2O
    AIR
);

reactions
{
    waterGasShift
    {
        type        reversibleArrheniusReaction;

        reaction    "CO^0.93 + H2O^0.24 = CO2^0.69 + H2^1";

        A           1e8;
        beta        0.86;
        Ta          1e4;
    }
}

ここでパラメーター A、β、Ta は温度 T から化学反応速度 k を決定するアレニウスの式k = A T^\beta \exp\left(-\frac{T_{\mathrm{a}}}{T}\right)の各パラメーターと対応しています。

メッシュは以下の通りで、メッシュ数は1875です。

メッシュ メッシュ

計算結果は以下の通りです。

一酸化炭素(CO.gas)
最終時刻での空気(AIR.gas) 最終時刻での空気(AIR.gas)
最終時刻での一酸化炭素(CO.gas) 最終時刻での一酸化炭素(CO.gas)
最終時刻での水蒸気(H2O.gas) 最終時刻での水蒸気(H2O.gas)
最終時刻での二酸化炭素(CO2.gas) 最終時刻での一酸化炭素(CO2.gas)
最終時刻での水素(H2.gas) 最終時刻での水素(H2.gas)

流入した一酸化炭素が水性ガスシフト反応によって流出口付近ではほぼ完全に無くなっていることがわかります。

実行コマンド

cp -r $FOAM_TUTORIALS/multiphase/reactingTwoPhaseEulerFoam/RAS/bubbleColumnEvaporatingReacting bubbleColumnEvaporatingReacting
cd bubbleColumnEvaporatingReacting

blockMesh

setFields
decomposePar
mpirun -np 6 reactingTwoPhaseEulerFoam -parallel
reconstructPar

paraFoam

計算時間

3時間50分26.14秒 ※シングル、Inter(R) Core(TM) i7-2600 CPU @ 3.40GHz 3.40GHz

参照