2021 Fiscal Year Research-status Report

低ペクレ数場を利用した火炎合成基盤の創成

Research Project

Project/Area Number	19K04246
Research Institution	Chubu University
Principal Investigator	平沢太郎中部大学, 工学部, 教授 (30350987)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	酸化剤流条件の効果 / 濃度分布計測 / 速度分布計測 / 加熱時間 / 加熱ガス組成
Outline of Annual Research Achievements	マイクロバーナにより形成される微小拡散火炎では、通常のバーナで形成される火炎に比べ対流の影響が小さく、分子拡散や熱拡散の効果が大きい。このような反応場を無次元数を用いて「低ペクレ数場」と定義することができる。本年度は、低ペクレ数場の微小拡散火炎群内へ噴出させる酸化剤の酸素濃度および噴出速度が、粒子の加熱時間や加熱雰囲気に及ぼす効果について、速度分布や濃度分布の測定を実施したことで、定性的および定量的な検討を進展させることができた。本研究では、6本のマイクロノズルから噴出された燃料の雲の中に、細い酸化剤噴流が導入されている状態で火炎が形成される。拡散火炎であることから当量比1付近の界面に火炎面が形成されるが、その界面への酸素は移流輸送と拡散輸送によって供給される。酸化剤流中の酸素濃度の増加、すなわち拡散輸送速度の増加は、半径方向、すなわち噴流軸と垂直な方向の増加として現れ、火炎面を半径方向に広げる効果が見られるものの、噴流軸方向の流速に及ぼす効果は観測されず、粒子の加熱時間に影響を及ぼさないことが明らかとなった。また、酸化剤流中の酸素濃度を増加させても、内側の逆拡散火炎の頂点から全体の火炎の頂点までの領域における水素濃度の変化は抑制され、ほぼ変化しないことがわかった。一方で、酸化剤流の噴出速度の増加、すなわち移流輸送速度の増加は、火炎面を噴流軸方向に広げる効果が見られ、噴流軸方向の流速を加速させ、粒子の加熱時間を減少させること、また、火炎内の水素濃度を低下させることが明らかとなった。以上の研究成果から、酸化剤噴流の条件を制御することで、酸化および還元の反応を促進する方法の一端が明らかとなった。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本年度は中央ノズルから噴出される酸化剤流の条件、すなわち酸素濃度や噴出速度を変化させて、噴流軸に沿った速度分布および濃度分布の測定を実施した。微小火炎内の濃度分布の測定に成功したことにより、酸化剤供給条件による火炎の構造の変化を理解する上で重要な手がかりを得ることができた。微小火炎内の速度分布の測定では、タイミングコントローラの故障のため、短いタイミング間隔のコントロールができず、高速の流速測定ができなかった。しかしながら、火炎内で酸化剤噴流が加速される条件と、加速されない条件があることを明らかにした。高速にならない一部の条件のみの速度分布しか得られなかったが、それでも一部の条件については、加熱時間の変化を評価することができた。現在までの進捗状況としては、酸化剤流条件が限られているものの、微小火炎内の濃度分布や速度分布に関して定量的なデータを得ることができ、酸化剤流条件の効果について検討を進展させることができた。これにより、酸化および還元の反応促進方法も明らかになりつつある。一方で計測装置の不具合もあり、実験計測が計画どおりに進行せず、温度分布の計測までは実施できなかった。このことから、進捗状況はやや遅れているとの判断となった。次年度は濃度分布や速度分布を計測する酸化剤噴流条件の範囲を増やし、かつ温度分布の計測も実施し、酸化剤噴流条件が火炎構造に及ぼす影響を示すモデルの検討を進める計画である。
Strategy for Future Research Activity	低ぺクレ数場を利用した火炎合成において、還元合成や酸化合成を促進する方法を明らかにすることは重要であり、また、合成する物質によって、加熱温度や加熱時間を制御する必要もある。最終年度の研究として、如何にこれらの合成を促進するかという点を重視しながら、火炎合成基盤の構築を進めていく。粒子画像流速計（PIV）で用いるタイミングコントローラの更新により、次年度は今年度計測不可能であった高速の流速測定を含め、様々な酸化剤噴流条件について実施する。合わせて、濃度分布計測も実施する。これらの計測により、（粒子キャリアガスである）酸化剤噴流条件が、粒子の加熱時間や加熱雰囲気にもたらす影響に関して、さまざまな条件での定量的なデータを取得する。それらの定量的なデータの取得により、酸化剤噴流条件が、火炎面への酸素の移流輸送速度と拡散輸送速度の変化を通じて、火炎構造に及ぼす影響を示すモデルの検討を進める。加えて、噴流軸に沿った温度分布計測を、速度分布や温度分布の計測に対応したさまざまな噴流条件に関して実施する。様々な噴流条件に関して効率よく計測を実施するために、多地点同時計測から1地点計測に簡略化した計測装置にて連続スペクトル計測を実施し、重要な地点に絞った温度分布を計測する。産業界から火炎合成に関するニーズが寄せられるようになった。そのニーズに応えるべく、適用範囲、制御範囲をより広げられるよう検討や試行を進めつつ、火炎合成基盤の構築を進める。
Causes of Carryover	新型コロナ蔓延の影響により、対面で出席する予定であった国際会議や国内会議が軒並みオンライン開催となり、オンラインでの参加となったため、旅費に関する支出がなくなったため支出額が減り、次年度使用額が生じた。本年度、粒子画像流速計（PIV）を用いて流速測定を実施した。しかしながら、タイミングコントローラの故障により短いタイミング間隔のコントロールができず、高速の流速測定ができなかったため、定量的なモデルを検討することができなかった。そこで高速の流速測定実施のために、次年度使用額は主に故障したタイミングコントローラ（デジテルディレイ装置）の購入に充てる予定である。