2019 Fiscal Year Annual Research Report
Construction of Innovative Assisted Combustion Process Using Extended Microwave Plasma
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19H02507
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
山本 剛 九州大学, 工学研究院, 准教授 (20321979)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岸田 昌浩 九州大学, 工学研究院, 教授 (60243903)
松根 英樹 九州大学, 工学研究院, 助教 (10380586)
松下 洋介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80431534)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | マイクロ波プラズマ / 支援燃焼プロセス / 二次元分光計測 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本法では，酸化剤のみを用いてマイクロ波プラズマを形成し，そこに燃料を供給することで自動的に着火し燃焼火炎が形成される．その形成された燃焼火炎は，高密度のマイクロ波プラズマの影響により燃焼が大幅に促進される．また，燃焼火炎に重畳するマイクロ波プラズマの領域を拡大することにより，さらなる燃焼促進効果が得られる非常に優れたプラズマ支援燃焼法である．本研究では，拡大型マイクロ波プラズマを適用したプラズマ支援燃焼の燃焼ダイナミクスを明らかにするため，最も基本的な炭化水素燃料であるメタンを対象として理論的・実験的検討を行った．
実験的検討では，メタン－空気燃焼火炎の可燃範囲について，当量比（量論空気量／供給空気量）をパラメーターとして調査した．これまでの研究から，本法は高当量比側において優れた性能を発揮していることから，特に高当量比に注視して実験を実施した．その結果，通常，メタンの過濃可燃限界は当量比1.68であるが，本法では当量比が5程度となっても安定して反応が起こった．そこで研究初年度は，当量比0.8－4.8において生成ガス組成を測定すると共に，分光器を用いて発光強度分布を測定した．生成ガス組成の結果から，水素，一酸化炭素は当量比と共に増加し，二酸化炭素は当量比と共に減少したことから，メタンの良好な部分酸化改質が行われたことが示された．さらに当量比を増加させた場合においても良好な改質反応が起こることが見込まれる．また発光強度分布の結果から，当量比の増加と共にHα，C2，CH，COが増加し，改質反応が進んでいることが示された．一方，数値シミュレーションでは，電磁界に対するFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法のプログラムを構築し，電場および磁場の解析が可能となった．研究2年目は流体シミュレーションと組み合わせる予定である．
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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
計画していた実験および数値シミュレーションをほぼ実施することができた．
実験では，メタン－空気燃焼火炎の可燃範囲が予想以上に広範囲であったが，測定可能な分の生成ガス組成および発光強度分布測定を実施できた．これらの測定は2年間のうちに終了させる予定であり，全体の半分程度以上は測定を終えたと考えている．また数値解析では，電場および磁場を解析するためのFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法のプログラムの構築が終了した．研究2年目にはFDTD法と流体シミュレーションを組み合わせたプログラムを構築する予定である．以上のことから，1年目の研究は概ね順調であった．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の実験結果では，マイクロ波プラズマ支援燃焼法を用いることで，予想以上に広範囲の当量比において安定した燃焼反応が起こることが示された．そこで本年度は，より広範囲の当量比において，メタン－空気燃焼火炎の反応特性を調査する．特に，燃焼反応に影響を及すO，H，OH，CH，C2等の化学種を分光器により測定し，当量比と各化学種の関係を明らかにすることで，反応特性に及ぼす影響を調べる．また，生成ガス組成の測定結果から，メタンの分解率，燃焼効率および冷ガス効率を算出する．以上の結果をまとめ，プラズマ特有の反応が燃焼反応に及ぼす影響を検証する．
数値シミュレーションでは，昨年度に引き続き，マイクロ波プラズマ熱流動解析プログラムを構築する．具体的には，電磁界に対するFDTD(Finite-Difference Time-Domain)法とプラズマに対する流体コードを組合せる．FDTD法は電磁界解析においてMaxwell方程式を時間発展形式で数値的に解き，電磁界の変化を観察できる．さらに，プラズマ中を伝播する電磁波を解析するため，Maxwell方程式に含まれる電流密度，電荷密度とプラズマとの関係を求める式として，電子とイオンに関する運動方程式を解く．これによりFDTD法において解く方程式は，電磁誘導の法則，アンペアの法則，電流密度に関する式，電子の運動方程式である．プラズマ流体モデルは電子とイオンを別の流体として扱う二流体近似により，連続の式，運動方程式，エネルギー方程式，Maxwell方程式を解く．さらにプラズマの反応として，電子衝突解離，電子衝突励起等を加えたプログラムを構築する．
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