A great deal of efforts has been done to date to calculate turbulent reacting flow in a complex geometry using structured grid. However the works that has computed the turbulent reacting flow in a 3D complex geometry with gas radiation effects have not been appeared in articles.
In this research the generalized program that can be applied to turbulent reacting flow problems of gaseous hydrocarbon fuel in a 3D complex geometry has been developed with gas radiation effects. To generate grid for a complex geometry multi-block method has been adopted using Block-structured Grid. This scheme implicitly treats multi-block interfaces. The solution algorithm was based on the SIMPLE method which collocated grid has been applied.
The developed code has been applied to combustion of volatile fuel gas of solid fuel in a 3D stoker incinerator with complex shape. After the 3D shape was divided into four blocks, numerical analysis has been carried out to investigate the combustion characteristics of volatile fuel gas. The applied mathematical models for prediction of velocity, turbulence quantities, enthalpy and chemical species concentration involved have been described and discussed. The standard k-ε turbulence model using wall function was used to compute turbulent flow. Turbulent combustion has been modeled by using the eddy dissipation model, while in modeling the radiative heat transfer finite volume method (FVM) for radiation has been followed. Non-gray radiation by $CO_2$ and $H_2O$ are modeled by the weighted sum of gray gases model (WSGGM). The two-step reaction model considering oxidation of CO was employed for chemical chemistry. For solid fuel combustion flow in a 3D incinerator, the high temperature zone becomes smaller due to the radiant energy loss. The results showed that the effect of radiation on the heat transfer to the exit and inlet may be significant and the non-gray radiation effect has been larger than gray radiation effect on the temperature field in a 3D incinerator.
By comparing the results of developed code with the ones of commercial code (Fluent 5.5), the developed code are confirmed and found to be a good tool for simulating combustion of turbulent reacting flow as well as radiative characteristics.
정렬격자를 이용하여 복잡한 형상내에서의 난류화학반응 유동장 해석에 관한 많은 연구가 수행되어왔다. 그렇지만 복사열전달해석을 포함하는 3차원의 복잡한 형상내에서의 난류화학반응장 해석에 관한 연구는 전무하다. 이에 본 연구에서는 3차원의 복잡한 형상내 탄화수소계열 연료의 난류화학반응 유동장 해석을 위한 일반화된 프로그램이 개발되었다. 3차원의 복잡한 형상을 위한 격자는 Block-Structured Grid를 이용하여 생성하였다. 이 기법은 블럭간의 인터페이스를 내재적으로 처리하는 장점이 있다. 해는 집중격자계를 이용한 SIMPLE 알고리즘을 이용하였다. 개발된 프로그램을 3차원의 복잡한 형상을 가진 스토커 소각로내에서의 난류화학반응 유동장 해석에 적용하였다. 주어진 형상을 내개의 블럭으로 나누고 소각로 내에서의 쓰레기의 연소 현상에 대한 연구를 수행하였다. 난류유동을 계산하기 위해 벽함수를 고려한 표준 k-ε 모델을 적용하였다. 난류화학반응율을 계산하기 위해서 eddy dissipation 모델을 사용하였다. 반면에 복사열전달 해석을 위해서는 유한체적법을 사용하였고 이산화탄소와 수증기의 비회체 특성을 고려하기 위해서 WSGGM을 사용하였다. 이러한 다양한 모델을 스토커 소각로 내의 연소현상에 적용하였으며 그 결과을 세계적으로 널리 사용되고 있는 상용 프로그램인 Fluent와 비교하여 매우 유사한 결과를 도출하므로서 본 연구에서 개발된 프로그램은 복사열전달 해석을 포함하는 탄화수소계열 연료의 연소 현상 해석을 위한 중요한 도구로써 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
