2017 Fiscal Year Annual Research Report
極限環境燃焼場に対する定量計測のためのLITGSの高度化と展開
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17H04906
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
早川 晃弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教 (90709156)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | レーザー計測 / 温度計測 / 高温 / 高圧 / LITGS / ロケット燃焼 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
内燃機関においては高負荷燃焼を実現するために，高圧下での燃焼が行われている．火炎温度は燃焼において最も重要な因子の一つであり，その定量計測は非常に重要である．しかしながら高圧下においては吸収線のブロードニングやクエンチングレートの増大など，計測を困難にする因子が存在する．本研究では，高圧燃焼場に対してLaser Induced Thermal Grating Spectroscopy (LITGS)を適用し，火炎温度の定量計測を実施する基礎技術の構築ならびに，計測精度の向上や濃度・温度の同時定量計測といったLITGSの高度化を実施することを目的とする．平成２９年度は，高圧燃焼試験装置を実施し，最高で1.0 MPaの酸素富化CH4/O2/N2予混合火炎に対してLITGS計測を実施した．さらに高精度温度計測を実施するために考慮すべき因子を明確にした．その結果，最高で1.0 MPaの条件において，詳細反応機構を考慮した一次元数値シミュレーションから予測される断熱火炎温度に近い温度が得られ，高圧下における温度の定量計測に成功した．さらに，NOを励起化学種とするLITGS光学系を構築し，CH4/NH3/Air火炎の温度計測を実施した．また，LITGS計測に及ぼす諸因子について検討するために，高圧セルを作成し，実験を行った．その結果，レーザーエネルギーならびに励起化学種濃度がLITGS信号や計測結果に及ぼす影響について明らかになった．とくにレーザーエネルギーおよび励起化学種濃度が低い条件においては，これらの値とLITGS信号強度は概ね比例関係にあることが明らかとなった．これは，あらかじめレーザーエネルギー，励起化学種濃度とLITGS信号強度との関係を求めておくことにより，濃度・温度の同時定量計測の可能性を示唆するものである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
当初計画においては，平成２９年度は(I)NO励起LITGSを実施するための光学系構築，(II)計測精度に及ぼす因子検討，(III)高圧容器製作と信号強度評価を実施する予定であった．
NO励起LITGS光学系については予定通り構築し，これを用いて非燃焼および燃焼試験を実施した．具体的には，(III)で製作した高圧容器を用いて，この中に封入したNO/N2ガスを対象に，レーザー光強度や濃度を変化させたときのLITGS信号強度評価を実施した．さらに，燃焼ガス中にNOを含むCH4/NH3/Air火炎を対象にLITGS試験を実施した．このように，当初計画はすべて実施することが出来た．さらに，平成３０年度および３１年度に実施する予定であった高圧・高温火炎に対するLITGS試験の一部を前倒しで実施した．具体的には，最高で1.0 MPaまでの酸素富化CH4/O2/N2火炎に対してLITGS計測を実施し，LITGS信号を取得することができた．さらに計測精度を向上させるためには焦点距離を正しく評価し，またレーザーエネルギーの吸収についても考慮しなければならないことが明らかとなった．以上のことから，当初の計画以上に本研究は進展していると評価できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３０年度は研究計画に従い，(1)LITGS計測精度に及ぼす因子の検討，(2)NO励起LITGSによる層流火炎構造の解析，(3)NO励起LITGSによる乱流火炎構造の解析，(4)LITGSによる濃度・温度の同時定量計測技術確立への挑戦を実施する．具体的には，(1)について，昨年度CH4/NH3/Air火炎を対象としてNOを励起化学種とするLITGS試験を実施したが，その計測精度について十分な検討が行えていない．本年度は，出口径が40 mmのノズルバーナー上に形成されるよどみ流平面火炎を対象にLITGS試験を実施し，引き続き火炎構造の解明および計測温度の高精度化を実施する．また，非定常流れ場に対するLITGS計測を実施する．加熱したNO/N2噴流に対してLITGS計測を実施し，乱流に代表される非定常な流れ場に対してLITGSを実施したときの課題を抽出する．この結果に基づき，乱流燃焼場に対するLITGS試験を実施する．さらにNOについては，平成２９年度の検討により，濃度の同時定量計測の可能性も示唆されている．このため，NO/N2噴流については，濃度・温度の同時定量計測の可能性についても検討を行う．
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