気泡塔の流動解析：ボイド率および速度分布の評価

概要

流体解析ソフト Advance/FrontFlow/red の混相流解析オプションAdvance/FrontFlow/MPを用いた、気泡塔（気液反応装置）における底面からの気体流入のシミュレーション結果をご紹介いたします。

気泡の上昇に伴う気相体積割合（ガスホールドアップ / ボイド率）の空間分布と、それに起因する「流路中心軸での上昇流 ＋ 壁面近傍での下降流」からなる巨視的な液相循環流（マクロ対流）の構造を、学会で標準的ベンチマークとして広く参照される J. H. Hills らの文献実験データ ［1］ と精密に比較・検証しました。

参考文献

［1］ J. H. Hills, “The operation of a bubble column at high gas velocities”, Trans. Instn. Chem. Engrs., 52 (1974) 1-9.

解析モデルおよび物理条件

水を満たした垂直円筒容器（気泡塔）の底面スパージャーから空気を過渡的に注入し、準定常状態における気相体積割合および液相速度場を算出します。

気泡塔の中央部高さ（断面 A）における「半径方向の気相体積割合（ガスホールドアップ）プロファイル」および「半径方向の液相流速プロファイル」の計算値（赤色プロット・実線）を、Hills らの実験値（緑色プロット）と比較した結果、高い再現精度が確認されました（図2）。

本解析でわかったこと

本解析では、気泡塔内における気相体積割合と液相速度分布に関して、実験結果とよく一致する結果が得られました。