超高速拡散燃焼のための3次元渦生成保炎器を兼ねたマイクロノズルと混合制御システム

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450087
• Research Institution: KYOTO UNIVERSITY
• Principal Investigator: 吉田 英生 京都大学, 工学研究科, 教授 (50166964)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 健一 明治大学, 理工学部, 専任講師 (10242273) ; 齋藤 元浩 京都大学, 工学研究科, 助手 (90314236)
• Keywords: 燃焼 / 高速拡散燃焼 / 保炎 / マイクロノズル / 混合制御

Research Abstract

マイクロガスタービンでの燃焼器のコンパクト化や等温膨張燃焼過程を実現するために重要な問題の一つが、高速流中で実現するための保炎と高速混合技術の開発である。本研究では、燃料噴射ノズルと保炎器とを一体化させる方法を提案する。すなわち、圧縮後あるいは部分燃焼後の比較的高温の気流中に、断面がエンジェル・フィッシュ形の微小物体を挿入し、その最後尾から燃料を噴出させる。燃料噴出部を挟んで対面する逆回転の渦が強烈な剪断混合層を形成させる。このように3次元性が極めて強く、かつスケールも小さい効果により、従来の保炎器とは桁違いの混合性能が期待される。
実験では、究極の目標よりは2〜3倍大きい幅1mm長さ1.5mmのV字形およびU字型のマイクロフレームホルダーを用い、背面の多孔質部分からメタンを一様に噴出させた。吹出し速度と主流速度を種々に変化させて火炎の状態を観察・測定するとともに、火炎が安定に保持される可燃範囲を明らかにした。V字型の方がU字型よりも保炎領域が大きく、このことはエンゼルフィッシュ形保炎器の上流部形状の妥当性を裏付ける。
一方、エンゼルフィッシュ形フレームホルダーの再循環領域の混合特性につき基礎的な知見を得るため、k-ε2方程式乱流モデルを用いた数値計算を行った。対象とする系は、ステップ下流に円形の窪みを設けたもので、再付着点側から眺めるとJ字型となるようなはく離・再循環流れである。通常のステップ流れと比較して、半円の窪みがある本研究の流れ場では再付着点が約10%上流側に移行すること、また半円の領域は主流速度の1%以下の大変遅い流れになることが明らかとなった。このような特性は保炎器として望ましいことであり、エンゼルフィッシュ形保炎器の下流部形状の妥当性を裏付けることができた。