2017 Fiscal Year Research-status Report
安全な水素エネルギー社会の実現に向けたハイブリッドデトネーションアレスターの開発
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17K06142
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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, 研究機構, 助教 (60709319)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | デトネーション・アレスター / デトネーション波 / デフラグレーション波 / 消炎 / 衝撃波 / 燃焼波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
デトネーション波は，可燃性予混合気体中を超音速で伝播する燃焼波であり，デトネーション波面における圧力および温度などの状態量は急峻に上昇する．したがって，可燃性気体が流れる配管内においてデトネーション波が発生した場合には，配管を破断するなどの事故の生じる可能性が高い．したがって，デトネーション波を消炎させるためのデトネーション・アレスターを開発することが工学上において重要な課題となっている．
本研究では，デトネーション波を消炎させるためのデトネーション・アレスターの開発を目指し，その基礎実験を行うこととしている．実験では，直径2 mmの孔を多数あけた多孔板を実験装置に挿入し，多孔板にデトネーション波を入射させ，デトネーション波の消炎過程について明らかにしている．さらに，多孔板の後方にはフレームアレスターを挿入している．すなわち，デトネーション波が多孔板を通過することによってその伝播速度が大幅に減衰して衝撃波と燃焼波に分離する．さらに，減速した燃焼波をフレーム・アレスターに入射させることによって消炎させようとするのが本研究のポイントである．従来のデトネーション・アレスターに比べ，多孔板によってデトネーション波の伝播速度は約2,000 m/sから約350 m/sにまで減速することが明らかにされた．十分に減速した燃焼波を消炎させるには，目の粗いフレーム・アレスターを用いても十分に消炎の効果のあることを明らかにした．目の粗いフレーム・アレスターを用いてもデトネーション波の消炎に成功しているため，これを実用化した場合には，圧力損失が少なく可燃性気体の流量を確保できるといったメリットが期待できる．今後は，多孔板の形状，予混合気体の条件を種々変化させるとともに，フレーム・アレスターの目の粗さを変化させ，デトネーション波の消炎に最も効果的なアレスター装置を明らかにする計画である．
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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
デトネーション波を消炎させるデトネーション・アレスターを開発するには幅広い実験条件下においてその消炎特性を明らかにする必要がある．可燃性気体については，化学量論混合比の水素－空気の混合気体を用いており，その初期圧力を条件として変化させている．また，多孔板の形状，枚数，およびフレーム・アレスターの目の粗さをパラメータとして変化させており，これらの条件がデトネーション波の消炎に及ぼす影響について定量的に明らかにしている．
具体的な進捗状況としては，デトネーション波を多孔板に入射させ，複数の孔からデトネーション波を回折させる現象を10回程度繰り返すことにより，多孔から生じる膨張波により，デトネーション波面における温度および圧力の低下を生じさせていると考えられる．この膨張効果により．デトネーション波の伝播速度は未燃気体の音速程度にまで減速することを明らかにした．デトネーション波は減速するが，衝撃波と燃焼波がほぼ一体化して伝播している状態と考えられる．燃焼波を消炎させなければ，燃焼波により前方の衝撃波が補強されるため，衝撃波が壁面に反射を繰り返すことにより，デトネーション波の再開始現象を生じさせることが明らかにされている．したがって，燃焼波を消炎させるためのフレーム・アレスターを挿入し，フレーム・アレスターによる燃焼波の消炎特性について実験的に調査している．多孔板を挿入することにより，燃焼波の伝播速度は音速程度にまで減速しているため，目の粗いフレーム・アレスターによっても消炎されることが明らかにされた．
デトネーション・アレスターを実用化するには，種々の条件を変更して実験を行う必要があるが，概ね当初の計画通りに研究が進んでいる．
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| Strategy for Future Research Activity |
デトネーション・アレスターを開発するには，次の性能を有することが必須となる．
１）デトネーション波が配管内で発生した場合には，デトネーション波を直ちにこれを消炎させる性能を有すること．
２）デトネーション波が発生しない通常時においては，十分な流量を確保して可燃性気体を流すことができること．
既存のデトネーション・アレスターでは，極めて目の細かい消炎素子を用いなければデトネーション波の消炎は難しいため，２）に記載した性能を発揮できていないことが課題となっている．
１）の事項については，上記したように多孔板とフレーム・アレスターをカップリングしたハイブリッド型のデトネーション・アレスターを構成することでデトネーションの消炎効果の高いことを明らかにしている．特に，多孔板の枚数を増加させることによって，デトネーション波を減速させる効果の高くなることが理解されている．
２）の事項については，以下のように研究を推進することを計画している．まず，ハイブリッド型のデトネーション・アレスターを装着した管における圧力損失を計測する．多孔板の形状および個数を変化させ，配管内の圧力がどの程度欠損されるのかを定量的に明らかにする．空気を流すことによる流量特性についても明らかにする計画である．次に，フレーム・アレスターの目の粗さを変化させ，流量特性に及ぼす影響を定量的に明らかにすることを計画する．デトネーション・アレスターを実用化する際には，デトネーション波の消炎特性以外に，デトネーション波が発生しない場合の流量特性が判断基準となる．これらの条件を考慮した上で，デトネーション・アレスターの実用化を目指した研究へと推進させる方策をたてている．
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| Causes of Carryover |
実験ではデトネーション波の圧力を計測するための圧力変換器を購入することを計画している．圧力変換器は１個当たり15万円程度となるため，次年度の予算と合算して購入することが望ましい．
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Research Products
(14 results)
