2017 Fiscal Year Research-status Report
オフセット対向流を用いた希薄火炎の渦運動による局所消炎とその回復機構の実験的解明
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17K06208
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
矢作 裕司 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (60265973)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 機械工学 / 燃焼工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
燃料希薄化の追求が著しい乱流予混合燃焼では，乱れの影響により火炎の一部が消炎する局所消炎が同時多発的に発生し，未燃焼ガスの放出や全体的消炎に発達する負の面がある．しかしながら，乱れの条件によっては，局所消炎部が高い確率で局所消炎から回復するために，全体的には燃焼を継続することができる．そのために，燃焼可能範囲が拡大する意外性と利点がある．その鍵は，乱流中の渦により熱と反応物が輸送され，局所消炎から回復させる機構を解明することであると考える．本研究は，非定常な希薄乱流燃焼で生じる局所消炎回復機構の研究課題で残された「渦輸送による局所消炎からの回復機構」を再現するための新実験モデル「オフセット対向流火炎」を用いて，燃焼ガス中の渦が熱と反応物を輸送することにより局所消炎から回復させる機構を再現して定量的に解明することを目的とする．初年度の2017年は，実験装置を製作してオフセット火炎を安定に形成させることに成功した．形成された火炎は，オフセット率を変えることにより2つの相似な円盤状火炎が傾斜して平行に形成されるスラント火炎，渦が形成される時に形成される双曲線状火炎の２種類の火炎が形成された．オフセット率が0.4を越えると火炎背後のみに渦を形成させることができた．渦が形成されている場合には，火炎は双曲線形状となる．基本火炎構造と火炎背後に形成される渦構造の分類とそれに基づく消炎クライテリアの決定を行った．
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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
申請書の研究実施フロー図に記載した1段階，(1)実験装置の製作，(2)渦構造の分類と消炎クライテリアの決定，(3)局所消炎とその回復の時間・空間スケールの分類の3項目を実施した．
(1)実験装置の製作: 実験装置は，既存の出口径10mmの層流対向流バーナーに改装を加え製作した．具体的には，下方バーナーを平行移動するための送り台を設置し，上下バーナーの中心軸をずらしてオフセット流れを形成させた．オフセット率の増大に伴い，火炎背後のせん断力が増加し，オフセット率が0.4を越えると渦が形成された．
(2)渦構造の分類と消炎クライテリアの決定： 基本火炎構造は，2つの相似な円盤状火炎が傾斜して平行に形成されるスラント火炎，渦が形成される時に形成される双曲線状火炎の２種類である．渦の形成される個数は，流れの状態により1つまたは2つと変わるが，基本的に火炎背後に渦を定在させることが可能である．実験モデルの最大の特徴となる火炎の背後にのみ渦が形成され，その渦をほぼ定在させることに成功した．スラント火炎の消炎機構は，火炎伸張率で整理できることから，オフセット無しの対向流双子火炎と同じ機構で説明できる．渦有りの双曲線状火炎では，消炎限界付近で局所消炎と回復を繰り返す現象が確認された．局所消炎の時間的空間的スケールが増大して，ある限界値を超えたときに全体消炎が発生すると予見するがその詳細機構は，現時点では不明である．最も重要な成果は，全体消炎発生時の燃料濃度がオフセット無しの層流対向流双子火炎の消炎条件を下回る条件があることを発見したことである．
(3)局所消炎とその回復の時間・空間スケールの分類： この課題については，ハイスピードビデオで撮影は完了しているが，現在画像解析中であり，本年度の中旬には解析結果が明らかになる予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は，昨年撮影した高速ビデオの画像を解析して局所消炎とその回復の時間・空間スケール分類の続きを行う．火炎背後に渦が形成される条件では，火炎の一部が局所的に消炎し，その局所消炎は特定の空間で発生する．一度発生 した局所消炎領域は空間的に定在することは難しいために，その領域は時間的空間的にスケールを変えながら，その発生と消滅を繰り返す．おそらく，局所消炎とその回復には時間的空間的な周波数特性が存在すると予見している．その次は，局所燃焼度定義と測定精度確立および渦の存在による局所燃焼速度の増減の解明を行う．火炎背後の渦により局所燃焼速度は，増加または減少すると予測しているが，そのことが確認できない場合には，平成 31 年度実施予定の複合燃焼・非均一燃焼状態の研究を前倒しで実行する．研究の3 段階目であるに示した非均一燃焼状態[希薄予混合気 vs 超希薄予混合気]・複合燃焼状態 [希薄予混合気 vs 窒素希釈した燃料]を作り，熱と反応物の渦による輸送機構を解明する．熱輸送機構に関する研究では，異なる当量比の混合気を衝突させて燃焼強度の異なる火炎を形成させることにより火炎背後の燃焼ガスの温度を変える．もし，熱が当量比の高い方から低い方へ渦輸送により移動するならば，局所消炎部の火炎端の伝播速度が増加すると予測する．反応物輸送機構では，反応物の輸送機構は希薄予混合火炎に窒素希釈した燃料を衝突させて解明する.火炎背後の渦により反応物が希薄予混合火炎背面あるいは，局所消炎した火炎端部に輸送されていれば，その位置の局所的な燃焼速度の増加が確認できる．その速度増加は，反応による体積膨張が生じた結果であると予見している．
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| Causes of Carryover |
設備備品として購入予定のハイパワーCW:YVO4レーザー CW532-2W (1 台×2,200千円)が予算より高額であり、これを購入すると実験装置の製作や実験の遂行に必要な消耗品を購入できなるために、購入を断念した．レーザーについては、レンタル品を用いることなどで今後は対応する予定である．
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