高速粉塵爆発シミュレーションを実現するハイブリッド型基本解合成法の開発

• Project/Area Number: 21H04593
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 25:Social systems engineering, safety engineering, disaster prevention engineering, and related fields
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 桑名 一徳 東京理科大学, 創域理工学研究科国際火災科学専攻, 教授 (30447429)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 矢崎 成俊 明治大学, 理工学部, 専任教授 (00323874) ; KIM WOOKYUNG 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (40781852) ; 茂木 俊夫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50392668)
• Project Period (FY): 2021-04-05 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥41,860,000 (Direct Cost: ¥32,200,000、Indirect Cost: ¥9,660,000); Fiscal Year 2025: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2024: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000); Fiscal Year 2023: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000); Fiscal Year 2022: ¥9,230,000 (Direct Cost: ¥7,100,000、Indirect Cost: ¥2,130,000); Fiscal Year 2021: ¥12,090,000 (Direct Cost: ¥9,300,000、Indirect Cost: ¥2,790,000)
• Keywords: 粉塵爆発

Outline of Research at the Start

可燃性粉体を取り扱うプロセスには粉塵爆発の危険がある．粉塵爆発事故を未然に防止するためには想定される事故のリスクを適切に評価することが重要であり，粉塵爆発現象の数値シミュレーションを活用することにより，リスク評価の精度向上が期待される．しかし，粉塵爆発は本質的に不均一な現象でモデルが複雑になるため，実プロセスの粉塵爆発シミュレーションは容易ではない．本研究では最近提案された粉塵爆発シミュレーションモデルの課題を克服し，さらに進化させることで，粉体プロセスの粉塵爆発リスク評価に実用できるシミュレーションモデルの確立を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

2023年度は，次の３つの項目を実施した．タスク１：基本解合成法による安全指標の予測，タスク２：単一粒子の燃焼サブモデルの構築および改善，タスク３：モデル検証のための実験実施およびデータ解析．それぞれの項目について，以下に記す．
【タスク１（基本解合成法による安全指標の予測）】　基本解合成法を用いて爆発下限濃度および最小着火エネルギーを理論予測し，既往の実験結果と比較した．モデルパラメータである粒子の着火温度および燃焼時間を適切に設定することにより，実用上十分な精度で安全指標を予測できることを確認した．また，これらの安全指標に及ぼす重力の影響を評価した．重力場において，下向き伝播における爆発下限濃度が上向き伝播における値よりも大きい（爆発しにくい）という結果を得た．
【タスク２（単一粒子の燃焼サブモデルの構築および改善）】　基本解合成法による数値シミュレーションで要求される，単一粒子の燃焼時間について理論的に検討した．表面反応および気相反応の両方を考慮したモデルを構築した．構築したモデルを用いて燃焼限界等の理論予測を実施し，既往の実験結果と比較した．
【タスク３（モデル検証のための実験実施およびデータ解析）】　通常重力および微小重力環境で粉塵爆発実験を実施した．粒子と燃焼波の同時観察を行い，燃焼波近傍での粒子の挙動を観察した．最小着火エネルギーの計測を実施し，粒子サイズ依存性について検討した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

数値シミュレーションによる安全指標の予測および実験結果との比較による予測精度評価，単一粒子の燃焼サブモデルの構築および妥当性評価，モデル検証のための実験実施のいずれの項目についても，おおむね計画通りに進行している．

Strategy for Future Research Activity

これまでの検討では，静止気体中に浮遊した粉塵雲を対象として，最小着火エネルギーおよび爆発下限濃度について検討してきた．今後は，流れがある場を対象として同様の検討を行う．そして，過去の実験結果および本研究課題で取得予定の実験データと比較することで予測結果の妥当性を検証する．さらに，粒度分布など実験では自由に制御できないパラメータの影響について数値シミュレーション結果に基づいて考察する．また，カーボン系粒子のように表面燃焼および気相燃焼のどちらも可能な可燃性粉体粒子に対して，条件によって燃焼形態が遷移する挙動について検討する．これにより，幅広い条件に対して数値シミュレーションが可能になる．以上の理論的検討に加えて，モデル検証に資する実験データを取得する．実験により取得する爆発下限濃度や最小着火エネルギーを数値シミュレーションによる予測結果と比較する．流れの影響や重力による粒子落下の影響について評価することを試みる．

Research Products

• [Int'l Joint Research] The Hong Kong Polytechnic University(中国)
• [Journal Article] Modeling Dust-Cloud Combustion (2024)
  • Author(s): 桑名 一徳
  • Journal Title: Journal of the Combustion Society of Japan Volume: 66 Issue: 215 Pages: 46-52
  • DOI: 10.20619/jcombsj.66.215_46
  • ISSN: 1347-1864, 2424-1687
  • Year and Date: 2024-05-15
• [Journal Article] Gravity Effects on Dust Explosion Assessed by Continuum and Point-source Models (2024)
  • Author(s): 桑名 一徳
  • Journal Title: Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics Volume: 24 Issue: 1 Pages: 17-22
  • DOI: 10.11395/jjsem.24.17
  • ISSN: 1346-4930, 1884-4219
  • Year and Date: 2024-03-21
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Early Detection of Thermal Runaway of Exothermic Reactions (2024)
  • Author(s): ティンナコンスチブト ニシャリー、桑名 一徳、水野 雅之、牛島 健夫、矢崎 成俊
  • Journal Title: Journal of Japan Society for Safety Engineering Volume: 63 Issue: 1 Pages: 25-30
  • DOI: 10.18943/safety.63.1_25
  • ISSN: 0570-4480, 2424-0656
  • Year and Date: 2024-02-15
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Gravity Effects on the Minimum Explosive Concentrations in 1-D Dust Explosion (2023)
  • Author(s): K. Kuwana, S. Yazaki, W. Kim, T. Mogi, R. Dobashi
  • Journal Title: Combustion Science and Technology Volume: 195 Issue: 7 Pages: 1622-1636
  • DOI: 10.1080/00102202.2023.2182203
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical computation for magnetic Hele-Shaw problem using the method of fundamental solutions (2023)
  • Author(s): Y. Shimoji, S. Yazaki
  • Journal Title: JSIAM Letters Volume: 15 Issue: 0 Pages: 29-32
  • DOI: 10.14495/jsiaml.15.29
  • ISSN: 1883-0609, 1883-0617
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effect of particle size on the minimum ignition energy of aluminum powders (2023)
  • Author(s): W. Kim, R. Saeki, Y. Ueno, T. Johzaki, T. Endo, K. Choi
  • Journal Title: Powder Technology Volume: 415 Pages: 118190-118190
  • DOI: 10.1016/j.powtec.2022.118190
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Determining kinetic parameters of cellulose and lignin pyrolysis by Gaussian process regression (GPR) method (2022)
  • Author(s): P. Viriya-amornkij, K. Kuwana
  • Journal Title: Progress in Scale Modeling, an International Journal Volume: 3 Pages: 1-10
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Image segmentation and its application to track a flame/smoldering front in combustion (2024)
  • Author(s): S. Yazaki
  • Organizer: ALGORITMY 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Structure-preserving numerical scheme for interfacial equations (2024)
  • Author(s): S. Yazaki
  • Organizer: ALGORITMY 2024
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Comparison study of image-segmentation techniques by a curvature-driven flow of planes curves (2023)
  • Author(s): S. Yazaki
  • Organizer: ICIAM 2023 Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Image segmentation by a curvature-driven flow of plane curves: past and on-going (2023)
  • Author(s): S. Yazaki
  • Organizer: One-day mini-symposium of "Czech-Japanese Seminar in Applied Mathematics"
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Research on Secondary Explosion in Dust Explosion Accidents (2023)
  • Author(s): Yota Terui, Toshio Mogi, Ritsu Dobashi
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Minimum explosive concentration of micron-sized aluminum-silicon powder mixtures (2023)
  • Author(s): S. Aken, N. Suzuki, R. Saeki, X. Mi, W. Kim
  • Organizer: International Symposium on Fuels and Energy 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aluminum Combustion Experiments on Board Aircraft Parabolic Flights (2023)
  • Author(s): R. Saeki, Y. Ueno, K. Adachi, R. Dobashi, T. Endo, K. Kuwana, T. Mogi, M. Lee, S. Yazaki, M. Mikami, Y. Nakamura, W. Kim
  • Organizer: International Symposium on Fuels and Energy 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Minimum explosible concentration of aluminum-oxygen-nitrogen mixtures (2023)
  • Author(s): Y. Ueno, R. Saeki, T. Johzaki, T. Endo, M. Lee, W. Kim
  • Organizer: International Symposium on Fuels and Energy 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of carbon dioxide concentration on explosion of aluminum dust clouds (2023)
  • Author(s): K. Adachi, Y. Ueno, R. Saeki, T. Johzaki, T. Endo, M. Lee, W. Kim
  • Organizer: International Symposium on Fuels and Energy 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Microgravity experiments of flame propagation in aluminum dust clouds (2023)
  • Author(s): R. Saeki, Y. Ueno, K. Adachi, R. Dobashi, T. Endo, K. Kuwana, T. Mogi, M. Lee, S. Yazaki, M. Mikami, Y. Nakamura, W. Kim
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of particle size on flame propagation through micron-sized aluminum particles suspended in air (2023)
  • Author(s): R. Saeki, K. Kuwana, K. Choi, W. Kim
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Minimum Explosible concentration of aluminum-oxygen-carbon dioxide mixtures (2023)
  • Author(s): K. Adachi, Y. Ueno, R. Saeki, T. Johzaki, T. Endo, M. Lee, W. Kim
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effects of oxygen concentration on the minimum explosible concentration of aluminum powders (2023)
  • Author(s): Y. Ueno, R. Saeki, T. Johzaki, T. Endo, M. Lee, W. Kim
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Blowoff limits of the smoldering processes (2023)
  • Author(s): P. Viriya-amornkij, K. Kuwana
  • Organizer: 20th International Conference on Flow Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Early detection of system failures through noise analysis: principles and application to a cooking pan fire (2023)
  • Author(s): N. Thinnakornsutibut, K. Kuwana, M. Mizuno, T. Ushijima, S. Yazaki
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Counterflow modeling of concurrent smoldering propagation and blowoff limits (2023)
  • Author(s): P. Viriya-amornkij, K. Kuwana, X. Huang
  • Organizer: Asia Pacific Symposium on Safety 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルミニウム粉塵中の火炎伝播における粒子径の影響 (2023)
  • Author(s): 佐伯琳々、桑名一徳、金佑勁
  • Organizer: 安全工学シンポジム2023
• [Presentation] ミクロンサイズのアルミニウム粉体における離散的な火炎伝播 (2023)
  • Author(s): 佐伯琳々、桑名一徳、金佑勁
  • Organizer: 日本機械学会熱工学コンファレンス2023
• [Presentation] 微小重力環境におけるアルミニウム粉体の火炎伝播挙動に及ぼす粒径の影響 (2023)
  • Author(s): 佐伯琳々、金佑勁
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第35回学術講演会
• [Presentation] アルミニウム粉体の粒径が火炎伝播速度に及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 佐伯 琳々、桑名 一徳、遠藤 琢磨、金 佑勁
  • Organizer: 第61回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 鉄粉の粒径が最小着火エネルギーに及ぼす影響 (2023)
  • Author(s): 佐伯 琳々、崔光石、金 佑勁
  • Organizer: 第56回安全工学研究発表会
• [Presentation] 微小重力環境における粉塵雲燃焼のモデリング (2023)
  • Author(s): 桑名一徳，矢崎成俊，佐伯琳々，金佑勁
  • Organizer: 第38回宇宙環境利用シンポジウム
• [Presentation] An anomaly detection of the critical phase during thermal explosion evolution (2023)
  • Author(s): Nicharee Thinnakornsutibutr, Kazunori Kuwana, Masayuki Mizuno
  • Organizer: 第61回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 燻焼過程の数値モデリング：消火に及ぼす気流速度の影響 (2023)
  • Author(s): ビリヤアモンキジュピチャヤポーン，桑名一徳
  • Organizer: 第61回燃焼シンポジウム
• [Presentation] フラッシュオーバー現象の早期検知（縮約モデルを用いた検討） (2023)
  • Author(s): 桑名一徳，ティンナコンスチブトニシャリー，水野雅之，牛島健夫，矢崎成俊
  • Organizer: 本機械学会 熱工学コンファレンス2023
• [Presentation] 粉塵爆発現象の相似則 (2023)
  • Author(s): 桑名一徳
  • Organizer: 本実験力学会2023年度年次講演会
• [Presentation] A theoretical study on the smoldering blowoff limit (2023)
  • Author(s): Pichayaporn Viriya-amornkij，桑名一徳
  • Organizer: 2023年度日本火災学会研究発表会
• [Presentation] Stovetop cooking pan fire detection based on signal processing (2023)
  • Author(s): ティンナコンスチブトニシャリー，桑名一徳，水野雅之，牛島健夫，矢崎成俊
  • Organizer: 2023年度日本火災学会研究発表会
• [Presentation] Gravity effect on steady, 1-D propagation through dust clouds (2022)
  • Author(s): K. Kuwana, S. Yazaki, W. Kim, T. Mogi, R. Dobashi
  • Organizer: 28th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 粉塵雲中の燃焼波伝播に関する考察 (2022)
  • Author(s): 桑名一徳
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
• [Presentation] セルロース熱分解における反応速度パラメータの感度解析 (2022)
  • Author(s): ビリヤアモンキジュピチャヤポーン，桑名一徳
  • Organizer: 日本実験力学会 2022年度年次講演会
• [Presentation] ウス過程回帰モデルによるバイオマス熱分解の反応速度解析 (2022)
  • Author(s): ビリヤアモンキジュピチャヤポーン，桑名一徳
  • Organizer: 2022年度日本火災学会研究発表会
• [Presentation] Aluminum dust explosion in oxygen-enriched atmospheres (2022)
  • Author(s): Y. Ueno, R. Saeki, T Johzaji, T. Endo, M. Lee, W. Kim
  • Organizer: The 13th Asian Microgravity Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Flame propagation of aluminum-air mixtures in microgravity environment (2022)
  • Author(s): R. Saeki, Y. Ueno, R. Dobashi, T. Endo, K. Kuwana, T. Mogi, M. Lee, S. Yazaki, M. Mikami, Y. Nakamura, W. Kim
  • Organizer: 13th Asian Microgravity Symposium
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 航空機の放物線飛行を利用したアルミニウム粉塵爆発実験 (2022)
  • Author(s): 佐伯琳々，上野寧子，土橋律，遠藤琢磨，桑名一徳，茂木俊夫，李敏赫， 矢崎成俊，三上真人，中村祐二，石川毅彦，金佑勁
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] 酸素濃度の変化がアルミニウム粉塵爆発に与える影響 (2022)
  • Author(s): 上野寧子，佐伯琳々，城﨑知至，遠藤琢磨，李敏赫，金佑勁
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会 第34回学術講演会
• [Presentation] 微小重力環境を利用した低速流れ場におけるアルミニウム粉塵爆発実験 (2022)
  • Author(s): 佐伯琳々，上野寧子，土橋律，遠藤琢磨，桑名一徳，茂木俊夫，李敏赫， 矢崎成俊，三上真人，中村祐二，金佑勁
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2022
• [Presentation] 航空機の放物線飛行を利用した微小重力場でのアルミニウム粉体の挙動解析 (2022)
  • Author(s): 佐伯琳々，上野寧子，土橋律，遠藤琢磨，桑名一徳，茂木俊夫，李敏赫， 矢崎成俊，三上真人，中村祐二，金佑勁
  • Organizer: 第60回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 微小重力環境におけるアルミニウム粉塵爆発に関する研究 (2022)
  • Author(s): 佐伯琳々，上野寧子，城﨑知至，遠藤琢磨，金佑勁
  • Organizer: 第55回安全工学研究発表会
• [Presentation] Flaming/smoldering spread along a thin cellulosic combustible solid in a forced opposed flow (2022)
  • Author(s): O. Kadowaki, K. Kuwana, T. Yamazaki, Y. Nakamura, G. Kushida, K. Fujiwara
  • Organizer: 9th International Symposium on Scale Modeling
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Near-limit flame spread characteristics observed in a narrow channel (2022)
  • Author(s): N. Aoyama, K. Kuwana, G. Kushida, K. Fujiwara
  • Organizer: 9th International Symposium on Scale Modeling
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Kinetic parameters determination of cellulose pyrolysis by thermalgravimetric analyzer (2022)
  • Author(s): P. Viriya-Amornkij, K. Kuwana
  • Organizer: 9th International Symposium on Scale Modeling
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 狭い空間における薄い紙の燃え拡がり現象 (2021)
  • Author(s): 青山奈実季，桑名一徳，櫛田玄一郎，藤原翔
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2021
• [Presentation] セルロース系可燃性固体の燻焼および有炎燃え拡がり (2021)
  • Author(s): 門脇督，桑名一徳，中村祐二，櫛田玄一郎，山崎拓也，藤原翔
  • Organizer: 日本機械学会 熱工学コンファレンス2021
• [Presentation] 粉塵爆発の連続体モデル：1次元定常伝播に及ぼす重力の影響 (2021)
  • Author(s): 桑名一徳，矢崎成俊，金佑勁，茂木俊夫，土橋律
  • Organizer: 第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 可燃性粒子の凝集が粉じん爆発挙動に与える影響 (2021)
  • Author(s): 茂木俊夫，森正哉，土橋律
  • Organizer: 第54回安全工学研究発表会
• [Presentation] Flame propagation of aluminum dust clouds in a microgravity (2021)
  • Author(s): R. Saeki, R. Dobashi, T. Endo, K. Kuwana, T. Mogi, M. Mikami, Y. Nakamura, W. Kim
  • Organizer: 5th International Symposium on Fuels and Energy
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 短時間微小重力実験のための粉塵爆発実験装置の開発 (2021)
  • Author(s): 佐伯琳々，飯干璃大，上野寧子，遠藤琢磨，茂木俊夫，李敏赫，土橋律，桑名一徳，矢崎成俊，三上真人，中村祐二，石川毅彦，金佑勁
  • Organizer: 第59回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 短時間微小重力環境を利用したアルミニウム粉塵爆発の火炎伝播挙動解明 (2021)
  • Author(s): 佐伯琳々，飯干璃大，上野寧子，遠藤琢磨，茂木俊夫，李敏赫，土橋律，桑名一徳，矢崎成俊，三上真人，中村祐二，石川毅彦，金佑勁
  • Organizer: 日本マイクログラビティ応用学会第33回学術講演会