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

2020 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 / 直接数値計算 / 等方性乱流

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を用いた実験計測によって明らかにするとともに、クラスタリングが微粉炭燃焼過程に及ぼす影響を明らかにすることである。
前年度までの実験的検討から、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、非球形粒子の場合には、比較的均一な分布となることを明らかにした。
当該年度は、クラスタリングの有無による燃焼過程の差異を明らかにするため、数値シミュレーションによる検討を行なった。具体的には、粒子を含む固気混相の、熱分解反応を伴う等方性乱流場の直接数値シミュレーション(DNS)を行い、熱分解過程に及ぼすクラスタリングの影響を調べた。粒子の密度を仮想的に変化させることにより、クラスタリングの強度を変化させた。
数値シミュレーションの結果から、今回採用した計算手法により、クラスタリングが強く生じている乱流場と、ほとんど生じていない乱流場を再現可能であることを確認した。また、クラスタリングが生じることにより、熱分解生成物の濃度分布に大きな偏りが生じることが明らかとなった。これは、粒子の周辺に熱分解生成物が生じるため、熱分解の初期では、クラスタリングが生じている領域には高濃度の熱分解生成物が存在し、クラスタリングが生じていない領域では熱分解生成物が存在しないからである。乱流場であるため、熱分解生成物はいずれ拡散され、一様になると考えられるが、今回のシミュレーションの時間範囲では、初期に生じた偏りは残存し続けた。本来の燃焼過程であれば、燃焼生成物は酸素と速やかに反応するため、熱分解生成物の遍在性はより大きな影響を及ぼすと考えられる。
熱分解生成物の燃焼を考慮した際の影響や、粒子表面で生じる固気反応に及ぼす影響については、次年度に明らかにする計画である。

Current Status of Research Progress

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

Reason

想定した固気混相乱流場を数値シミュレーションにより再現することができたとともに、クラスタリングの影響の一部を解明することができた。

Strategy for Future Research Activity

当該年度と同様に、粒子を含む固気混相の、化学反応を伴う等方性乱流場の直接数値シミュレーションを行い、熱分解生成物の燃焼過程、および固気燃焼反応過程に及ぼすクラスタリングの影響を明らかにする。また、クラスタリングの強度に応じて、燃焼過程の促進・抑制を表現可能な数値モデルを確立する。

Causes of Carryover

新型コロナウィルス感染拡大による影響により、予定していた国内外の出張が全て取りやめとなり、次年度使用が生じた。次年度使用分については、令和3年度の国際会議等の出張旅費に充てる計画である。