障害物上におけるデトネーション遷移メカニズムの解明（障害物の位置・高さの影響）
| Project/Area Number |
21K03870
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Saitama University |
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Principal Investigator |
小原 哲郎 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80241917)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石井 一洋 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20251754)
前田 慎市 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60709319)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2021: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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| Keywords | デトネーション波 / デフラグレーション波 / DDT過程 / 障害物 / 高速火炎 / DDT / デトネーション / デフラグレーション / 遷移現象 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，「水素－酸素といった予混合気体を点火することにより生じた火炎が障害物と干渉することによって如何にして超音速で伝播するデトネーション波に遷移するのか？」という基本的なメカニズムを明らかにすることを目的としている。このため，実験と数値シミュレーションを行って両者を比較することにより，研究目的の達成を計る計画である。最終的には，障害物の設置位置および高さ，予混合気体の初期圧力といった条件を種々変化させ，超高速度ビデオカメラを駆使することによりえられた可視化動画および数値シミュレーション結果を比較することにより，点火から短い距離でDDTを引き起こす条件を明らかにすることを計画している。
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| Outline of Annual Research Achievements |
可燃性予混合気体中を伝播する燃焼波は，デフラグレーション波とデトネーション波に分類することができる。デフラグレーション波は亜音速で伝播する膨張波であるのに対し，デトネーション波は超音速で伝播する圧縮波である。デトネーション波を構成する衝撃波により，未燃気体の圧力および温度が上昇し，衝撃波と燃焼波が一体化して伝播する性質がある。デトネーション波面における温度および圧力は著しく高くなるため，デトネーション波が配管内等で発生した場合には，配管を破断するなど被害をもたらす可能性があるため，デトネーション波の発生メカニズムを明らかにすることが重要である。デトネーション波は，予混合気体の着火と同時に生じるものではなく，デフラグレーション波からデトネーション波への遷移（DDT）過程を伴う。
本研究では，デトネーション管内にDDTを生じさせるための障害物を１個設置し，障害物によって生じるDDTメカニズムを明らかにすることを目的として実験を行った。実験では，点火端から障害物までの距離，障害物の高さ，予混合気体の初期圧力を種々変化させた。特に，障害物の背後にチタン酸ジルコン酸鉛素子（PZT）を用いた圧力センサーを10個埋め込み，障害物背後における圧力計測を試みた。超高速度ビデオカメラによる可視化観察と圧力計測を同時に行うことにより，DDT過程の調査を行った。
本研究により得られたDDT過程を以下に要約する。
(1) 火炎が伝播する過程で生じた圧縮波が障害物で回折することにより渦を形成し，渦に巻き込まれるように火炎が伝播するため，障害物の背後には未燃気体領域が形成される。
(2) 火炎が未燃気体領域中を奥行き方向に伝播する過程で急速に加速する。PZT圧力センサーによる圧力波形では，局所爆発の発生を介さずにChapman-Jouguet（CJ）デトネーション速度を超え，DDTが生じることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究課題では，単一障害物によって引き起こされるDDT過程を詳細にすることを目的としており，時間的応答性の優れたPZT圧力センサーを自作し，超高速度ビデオカメラによる映像と圧力波形を同時に取得することを計画してきた。
本研究目的を達成するため，火炎がデトネーション波に遷移する過程を捉えた超高速度ビデオカメラの映像と圧力波形を比較することにより，障害物背後におけるDDT過程を詳細にすることを計画した。従来のように障害物を水平方向に設置する方法では，障害物の奥行き方向で生じる現象の全てが重なった動画として記録されるため，奥行き方向で生じる現象を明らかにすることは不可能であった。そこで，障害物を鉛直方向に設置することにより，障害物の奥行き方向で生じる現象を鉛直方向の動画として捉えることに成功している。同時に，障害物背後の領域にPZT素子を用いた圧力センサーを埋め込み，圧力波形と動画を比較することにより，高速火炎の伝播状況について明らかにすることができた。単一障害物上でデフラグレーション波がデトネーション波に遷移する現象については，障害物の背後を奥行き方向に伝播する高速火炎が生じ，3次元的な現象がこの現象に対して重要であることを明らかにしている。障害物の配置や予混合気体の初期圧などに実験条件によってDDTの生じるメカニズムは異なるが，障害物背後におけるDDT過程は，以下の２通りの現象を介して生じることを明らかにした。
(1) 高速火炎が障害物の奥行き方向を伝播する際，局所爆発の発生を介さずにCJデトネーション速度まで加速しており，デトネーション波への遷移は障害物背後において生じている。
(2) 高速火炎がCJ速度の40%未満の速度で伝播する場合には圧力上昇を伴わない。この場合には，高速火炎が側壁に達し，側壁において反射する際に局所爆発が発生してデトネーション波への遷移が生じる。
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| Strategy for Future Research Activity |
水素－酸素予混合気体といった反応速度が著しく高い気体を用いた場合，点火から100 mm程度の距離に高さ5 mmの障害物が1個あるだけでデフラグーション波からデトネーション波に遷移する現象が生じる。単一障害物がDDTにもたらす効果として以下の２種類のあることが明らかにされている。
(1) 予混合気体を着火した場合には圧縮波が形成されて伝播するため，障害物背後に渦が形成させる。
(2) 圧縮波の背後を火炎が伝播する過程では，渦によって火炎が巻き込まれるように伝播するため，障害物背後には未燃気体領域が奥行き方向に形成される。
障害物背後に形成された未燃気体領域を火炎が加速する過程において，どのようにデトネーション波に遷移するのかを明らかにすることは極めて難しい。特に，デフラグレーション波がデトネーション波に遷移する最終段階においては，局所爆発の生じることが知られているが，局所爆発は微細な領域で生じ，しかも時間的には百万分の１秒オーダーの極めて短い時間で完了する。したがって，DDT過程の最終段階における現象を明らかにするには，時間および空間的な分解能をさらに高めて可視化観察することが重要と考えている。
時間分解能については，超高速度ビデオカメラのコマ間隔を百万分の1秒とし，1コマ当たりの露光時間を短くして可視化観察を行うことを計画している。障害物背後における高速火炎の伝播速度については，秒速3 km程度となる場合があることから，圧力変換器の他にイオンプローブを埋め込む方法が考えられる。イオンプローブの直径は1 mmと小さくすることができる。イオンプローブを用いた場合には火炎によって電離した気体を検知するための時間応答も著しく高いことから，イオンプローブと圧力変換器を10個程度，障害物の背後に埋め込み，高速火炎の伝播速度およびデトネーション波への遷移過程を明らかにすることを計画している。
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Report
(2 results)
Research Products
(22 results)
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[Presentation] Experimental and Numerical Study on Disc-RDE: Relation between Number of Detonation Wave and Pressure2022
Author(s)
A. Koichi Hayashi, Kodai Shimomura, Nobuyuki Tsuboi, Kohei Ozawa, Nicolas H. Jourdaine, Kazuhiro Ishii, Edyta Dzieminska, Tetsuro Obara, Shinichi Maeda, Toshiharu Mizukaki
Organizer
AIAA SciTech 2022 Forum, San Diego
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A. Koichi Hayashi, Kodai Shimomura, Nobuyuki Tsuboi, Kohei Ozawa, Nicolas H. Jourdaine, Kazuhiro Ishii, Edyta Dzieminska, Tetsuro Obara, Shinichi Maeda Toshiharu Mizukaki
Organizer
AIAA Propulsion and Energy 2021 Forum
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A. Koichi Hayashi, Kazuhiro Ishii, Tomohiro Watanabe, Nobuyuki Tsuboi, Kohei Ozawa, Nicola H. Jourdaine, Edyta Dzieminska, Xinmeng Tang, Tetsuro Obara, Shinichi Maeda, Toshiharu Mizukaki
Organizer
2021 AIAA SciTech Forum
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