2017 Fiscal Year Research-status Report
旋回角度可変による管内予混合火炎動的挙動のレーザ画像解析と安定燃焼向上への応用
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16K06115
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| Research Institution | Gifu University |
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Principal Investigator |
小宮山 正治 岐阜大学, 工学部, 教授 (40178372)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西田 哲 岐阜大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30377783)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 予混合火炎 / 非定常挙動 / スワール数 / 旋回羽根 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
環境負荷低減の観点から，大型工業燃焼器の高効率化は二酸化炭素排出抑制に寄与する必要項目であり，このためには燃焼温度の高温化が肝要となる．これらの工業燃焼器に使用される希薄予混合燃焼に関して，逆火の危険性から燃料と空気を急速に混合する必要があり，混合状態が不完全で不均一性が高い予混合状態での火炎が形成されることになり，このために高温領域が局所的に発生し，窒素酸化物(NOx)の排出増加につながる結果となる．このため，燃焼場の高温化のためには逆火の危険性を抑制させて均一な混合状態を促進し，安定な火炎状態を維持するための燃焼法を確立することが急務となっている．
本年度は旋回流の強さを旋回羽根の角度を調整することよって可変とする燃焼器の構築を行った．旋回強さは予混合火炎の安定化のために重要なパラメータの一つであるが，これまで行われている管内予混合火炎を対象とした実験ではほとんどの場合が出口角度固定旋回羽根を用いている．この場合，周方向流速を変化させると，軸方向流速も変化することになる．本研究では円管内における周方向速度と火炎の動的挙動との関連性を明確にするために，また流量を変化させることなく，燃焼器内部での旋回強さのみを制御するために時間的に出口角度が制御可能な小型スワラーを構築した．次に，出射側に光ファイバーによる光学系とコリメータを装着した連続発振レーザを設置し，受光側には高精細度高速度カメラを用いた管内時系列PIV計測のための光学系を構築した．円管表面における反射が円管内の粒子画像を阻害する問題を解決するため，前方散乱を利用して測定粒子画像の撮影精度を向上させた．さらに，空気比一定の条件で，旋回強さを時間的に変化させる時間特性を変え，その時の流れ場応答と火炎挙動との関連性を明らかにした．
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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
旋回強さの時間的変化による火炎の動的挙動の制御を提案し，そのための基礎的な研究として，旋回強さを時間的に変化させ，その時間特性による非定常性の強弱が流れ場の応答と火炎挙動に与える影響を明らかにすることを目的とした．そのため，モータ可変旋回羽根付燃焼器を用い，空気流量と空気比一定の状態で，スワール数を予混合燃焼器において低旋回場および高旋回場と変えて，その時の流れ場の応答並びに火炎挙動について，時系列PIV計測を用いて考察した．これから，以下の知見を得た．非定常的にスワール数を変化させる場合には，定常状態での平均軸方向速度分布と比較して，過渡的な流速挙動が見られた．スワール数を増加あるいは減少させた場合には，軸方向速度の過渡的な変化により，火炎をより上流側あるいは下流側へ移動させることができることを示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
実用燃焼器では，管断面の形状が一様ではなく，形状が変化する場合の方が一般的である．管断面形状が変化する場合には，内部の流れが時間平均的に加速あるいは減速することになるが，空間的な流動特性に影響を受けると考えられる．このため，石英ガラスで作成されたテーパー円管（軸方向下流に向かって管径が広がるタイプ，狭まるタイプの2円管）を対象にして，未燃焼状態の内部流れおよび燃焼状態での火炎と内部の流れの非定常挙動に対して管内PIVによる火炎と混合流体の時系列速度分布計測とともに管内旋回流の特性分析を行う．
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| Causes of Carryover |
旋回羽根の動作特性を改善するために，燃焼器を部分的に改良する必要性が生じた．このための計画立案と部品調達に時間を要したために，今年度末時点での未使用額が発生したが，新年度初めに燃焼器の改良が完成する見通しであり，燃焼器の改良費に未使用額を使用する予定である．このため，研究計画の全般には影響は無いものと考える．
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