2019 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, 理工学研究科, 准教授 (60709319)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | デトネーション / 消炎 / 衝撃波 / アレスター |
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| Outline of Annual Research Achievements |
可燃性予混合気体が生成される状況下において，気体が着火した場合，デトネーション波が生じることが考えられる。デトネーション波における圧力および温度は著しく高いため，配管や施設に深刻な被害を及ぼす。したがって，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（以下，アレスターと略す）技術を確立することは，安全工学上の観点から重要な研究課題である。既存のアレスターには間隙が極めて小さい消炎素子が用いられており，アレスター通過時の流量が極めて小さくなることが問題になっている。
本研究ではデトネーション波を回折させる機構にフレーム・アレスターを接続したハイブリッド型のアレスターとすることを提案している。デトネーション波を回折させることで伝播速度を大幅に低下させ，その後，比較的目の粗い素子によりデトネーションに追従する火炎自体を消炎させる機構を考案し，その設計基準を明らかにすることを研究目的とした。
実験には内径50 mmの円管を用い，化学量論混合比の水素空気予混合気を充填して実験を行った。回折機構には多孔板と呼ばれるドーナツ状円盤を用い，外径の孔の径D，板厚Lおよび回折させる回数nを変化させて実験を行った。フレーム・アレスターは消炎素子の間隙Rおよび枚数Nを変化させた。本研究で得られた知見を以下に要約する。
(1)デトネーション波を回折させることにより伝播速度を低下させるには，D=60 mm，L=14 mm，n≧7の条件とすることにより，デトネーション波は回折前の速度の約20％にまで減速される。
(2)回折機構にフレーム・アレスターを接続しデトネーション波を完全に消炎させ，さらに流量を低下させない観点から，フレーム・アレスターの条件は，D=60 mm，L=14 mm，n=5，R=0.2 mm，N=1とすることが有効であり，既存のアレスターと比べて流量が約1.5倍に増加した。
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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
ドーナツ状の多孔板にデトネーション波を入射させることにより，デトネーション波の伝播速度が大幅に低下することが明らかにされ，多孔板の条件によっては入射前のデトネーション波の伝播速度の20％程度にまで下がることが確認された。デトネーション波を回折させることにより，伝播速度の低下をもたらす原因を探るため，管断面が50×50 mmの矩形のデトネーション管を用い，可視化観察実験を行った。実験では，観測部上流に複数の多孔板を挿入し，多孔板からデトネーション波が回折する挙動について，シュリーレン光学系および超高速度ビデオカメラを用いた可視化観察を行った。供試気体には，初期圧力100 kPaの水素－酸素予混合気体を用い，多孔板にChapman-Jouguetデトネーション波を入射させる実験を行った。
可視化観察の結果，多孔板から回折する回数が増加するにしたがって，デトネーション波が衝撃波と燃焼波に分離する挙動が明らかにされた。しかし，デトネーション波の伝播速度が未燃気体の音速程度まで減速した後は一定の伝播速度となり，それ以下の速度にまで低下しないことが明らかにされた。このような結果より，多孔板に設ける孔の形状，数，配置など，回折機構の設計条件を決定するにあたり，重要な知見であると考えられる。
デトネーション波を回折させることにより，デトネーション波は衝撃波と燃焼波に分離した状態で伝播すると考えられる。伝播速度の低下した燃焼波を比較的，目の粗いフレーム・アレスターに入射させることにより，燃焼波自体が消炎する結果が得られた。回折機構によりデトネーション波の伝播速度は約20 %にまで低下しているため，燃焼波から消炎素子に熱損失が生じやすい条件となるため，フレーム・アレスターに用いている消炎素子の間隙を比較的大きい条件でも消炎に成功したと考えられ，流量が低下する問題を改善することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
上述した50×50 mmの断面を有するデトネーション管に挿入する多孔板の枚数を増加させ，デトネーション波の減速過程を可視化観察することにより詳細にすることを計画している。これまでの実験では，デトネーション波の伝播速度は未燃気体の音速程度まで減速した後は一定となり，減速しない結果が得られている。デトネーション波は衝撃波と燃焼波に分離するが，衝撃波は回折した後に側壁で反射するため，先行する衝撃波を補強する関係にある。したがって，衝撃波は一定の伝播速度以下には低下せず，衝撃波に追従する高温・高圧の未燃気体の高速流れに引きずられるように燃焼波が伝播するため，音速以下には低下しないものと考えられる。形状の異なる多孔板を種々組み合わせることにより，衝撃波および燃焼波の減速過程について明らかにすることを推進させる計画である。
次に，多孔板の下流にフレーム・アレスターを挿入し，フレーム・アレスターによって燃焼波の消炎の成否について，高速度ビデオカメラ，圧力変換器による圧力計測およびフォトトランジスターを用いた発光を検知することにより，明らかにする計画である。具体的には，回折機構の下流に挿入するフレーム・アレスターの消炎素子形状を種々変化させ，多孔板下流を伝播する衝撃波および燃焼波の伝播速度に対する消炎成否の関係を明らかにすることを計画する。また，デトネーション管に充填する水素－空気予混合気体の初期圧力についても変化させ，初期圧力と消炎成否の関係についても整理する。
次に，上記の研究により得られた最適な多孔板およびフレーム・アレスターを内径50 mmの円管に挿入し，デトネーション波の消炎過程を明らかにする計画である。これらの実験を行うことにより，アレスター装置を挿入して実験を行うことにより，デトネーション・アレスターを設計するための客観的なデータを得ることを最終的な推進方策としている。
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| Causes of Carryover |
複数のドーナツ状円板にデトネーション波を入射させることにより，伝播速度が大幅に低下する結果が得られたが，フレーム・アレスターに入射後に衝撃波に追従する火炎の消炎可否について，実験条件を変化させて確認する必要がある。特に，フレーム・アレスターの目の粗さ，枚数などの条件に対して，入射するデトネーション波の伝播速度の関係を求める必要があり，研究期間を延長して実験を行うことを計画している。実験を行うには，供試気体として水素を使用するため，消耗品費が必要となる。また，フレーム・アレスターを購入するための消耗品費が必要となり，次年度に使用額を繰り越して使用したいと考えている。
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Research Products
(10 results)
