非球形固体燃料粒子のクラスタリング挙動と群燃焼挙動の解明

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 18K03941
• Research Institution: Central Research Institute of Electric Power Industry
• Principal Investigator: 丹野 賢二 一般財団法人電力中央研究所, エネルギー技術研究所, 上席研究員 (60462884)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 固気混相流 / 粒子 / クラスタリング / 噴流 / PIV / ストークス数

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、噴流乱流場中における非球形粒子のクラスタリング挙動を、シャドウ法とPIVを用いた計測により明らかにするとともに、クラスタリングが形成されている条件において、シュレーリン法を用いて非球形粒子である微粉炭の気相燃焼挙動を可視化し、クラスタリングが燃焼過程に及ぼす影響を明らかにすることである。
当該年度は、球形粒子と非球形粒子とのクラスタリング挙動の差異を明らかにするため、噴流乱流場においてMie散乱法およびPIVの同時計測を行った。実験は昨年度と同様に、噴流バーナーを対象に行った。バーナー中心より、固体粒子を空気搬送により供給した。固体粒子については、球形粒子として高分子ポリマーを、非球形粒子として微粉炭を用いた。計測については、Mie散乱法により、固体粒子の分散状況を評価するとともに、PIVにより粒子速度を計測することで、運動量の分散状況を評価した。Mie散乱法の結果から、昨年度と異なる条件においても、球形粒子の場合には、粒子が偏在しており、クラスタリングと呼ばれる現象が生じていることが確認できたが、非球形粒子の場合には、比較的一様に分布していることが確認された。これは、その不規則な形状がゆえに、乱流渦と粒子運動の相互作用に不規則性が生じ、クラスタリングが生じにくくなるためであると考えられる。また、PIVの結果から、非球形粒子は、中心から離れた位置において、球形粒子に比べて粒子速度が大きいことが明らかとなった。このことは、非球形粒子は球形粒子に比べて、径方向の運動量の拡散が大きいことを表している。なお、数値解析においては、一般に粒子を球形と仮定して運動を解析する。今年度得られた結果は、その不合理性を指摘する重要な知見である。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画した実験条件において、噴流乱流場における球形粒子と非球形粒子の分散挙動や、運動量拡散の差異を定量的に示すことができた。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度は、シュレーリン法を用いて、非球形粒子のクラスタリングが微粉炭燃焼の初期に生じる揮発分燃焼に及ぼす影響を明らかにする。具体的には、微粉炭を加熱するため、二重管バーナーを用いて、微粉炭の周囲に水素火炎を形成し、微粉炭を着火させる。この状態で、PIVを用いた流動場計測を行い、燃焼条件における流動場を計測する。また、高速度ビデオカメラとシュレーリン法を用いた揮発分燃焼の観察を行い、クラスタリングによる微粉炭の気相燃焼挙動への影響を明らかにする。

Causes of Carryover

他の職務の兼ね合いから、計画していた国外出張が取りやめになる等の影響により、次年度使用が生じた。次年度使用分については、令和2年度の国際会議等の出張旅費に回す計画である。