2019 Fiscal Year Research-status Report
噴霧の保炎機構を再検討するための微小重力環境を利用した冷炎燃え広がりに関する研究
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19K04843
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| Research Institution | Nihon University |
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Principal Investigator |
野村 浩司 日本大学, 生産工学部, 教授 (30246847)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田辺 光昭 日本大学, 理工学部, 教授 (90291707)
菅沼 祐介 日本大学, 生産工学部, 助教 (60739035)
齊藤 允教 日本大学, 理工学部, 助教 (20801020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 冷炎燃え広がり / 燃料液滴列 / 予蒸発予混合燃焼器 / 微小重力環境利用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
航空機用ガスタービンのNOx排出量削減や高熱効率化は急務な課題であり，こうした背景から進められているコアエンジンの小型高出力化や希薄予混合燃焼方式の導入は，どちらも燃焼器における逆火現象を誘発しやすい．噴霧火炎基部で起こる燃料液滴間の火炎燃え広がり現象を把握することが燃焼器の設計要件を明らかにするためには必要である．本研究では，噴霧火炎基部や燃料予蒸発管内で起こりうる燃料液滴の冷炎点火・燃え広がりに着目し，噴霧を単純化した燃料液滴列を対象にし，基礎的な研究を行った．軸対称な火炎燃え広がりが実現される微小重力環境を利用した実験を行うことで，数値シミュレーションの検証を容易にする計画である．
2019年度は，熱線式定温度型冷炎強制点火装置を設計・製作し，通常重力場において冷炎のデカン燃料液滴列上方火炎燃え広がりを観察した．熱線の温度を一定に保つ機能を持った定温度型点火装置を完成させた．室温でデカン液滴の強制点火を行い，冷炎点火が起こることを，ホルムアルデヒドの自発光を撮影することで確認した．定温度点火装置では，熱線に印可する電圧の履歴から，熱線付近で発熱が起こっているか，あるいは吸熱が起こっているかが判断できる．熱線温度を変化させることにより，液滴の蒸発，冷炎点火，および熱炎点火を判断することに成功した．単一液滴の冷炎点火は，液滴直径が増大すると燃料蒸気の質量流束が減少するため，点火遅れ時間が減少した．また，点火遅れ時間の対数と初期液滴直径の関係がほぼ直線的に近似できた．雰囲気圧力0.1 MPa，雰囲気温度22℃，液滴直径0.80～1.0mm，液滴個数5個，液滴間隔1.44mm，熱線温度743 K，通常重力状態の条件では，冷炎上方燃え広がりが第3液滴まで起こった．第2液滴の燃焼速度定数をバックリット法により計測した結果，NASAが軌道上で計測した燃焼速度定数とほぼ同じ値であった．
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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
炭化水素燃料の液滴列を燃え広がる冷炎の観察と燃え広がり速度，燃え広がり限界温度・圧力の計測を行い，噴霧火炎の保炎技術や逆火防止対策に寄与する実験データを得ることが本研究の目的である．ここで得られる実験データは，数値シミュレーションにフィードバックされ，低温酸化反応を含んだ噴霧燃焼シミュレーションの実現に寄与すると考える．
2019年度の計画は，定温度型冷炎点火装置の開発・製作，冷炎観察装置の製作，および数値シミュレーションの構築であった．いずれも予定通りに進めることができた．定温度型冷炎点火装置に関しては，以前使用した定温度型熱炎点火装置を改良した．液滴の蒸発に大きなエネルギーを使用するため，低温で高出力化を図る必要があった．また，熱線の材質，長さ，太さ，および形状を種々に変化させ，直径1 mm程度のデカン液滴を冷炎点火させるのに適した熱線を作成することができた．今後，この熱線を既存の液滴列支持器に搭載できるように固定法などを検討する．また，高出力化によって定温度型冷炎点火装置の冷炎点火ディテクタとしての機能が失われることを懸念していたが，製作した点火装置で対象液滴が蒸発しているか，冷炎点火したか，熱炎点火したかを判別することができた．また，イメージインテンシファイア付きビデオカメラで冷炎を観察することができた．数値シミュレーションに関しては，研究開始前から準備ができていた気相反応モデルに2019年度に完成させた液滴蒸発モデルを組み合わせ，気相と液層の間で熱交換を行いながら冷炎点火に至り，その後に冷炎が気相を伝播する挙動を計算で観察することができるようになった．今後は実験結果と照合し，改良を加えていく予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
2019年度に製作した定温度型冷炎点火装置を既存の液滴列燃焼実験装置に組み込むみ，通所重力事件を行う．燃料液滴列を瞬時に高温空気室に挿入した後に，列の一端の液滴を定温度型冷炎点火装置で加熱して冷炎点火を起こさせる．燃料には正デカン（ケロシンの模擬燃料）を使用する．発生した冷炎が燃料液滴列を燃え広がるかどうかを確認し，燃え広がった条件では燃え広がり挙動の観察と燃え広がり速度の計測を行う．現象の観察には，イメージインテンシファイア付きビデオカメラを使用する．ただし，耐衝撃性の問題により，微小重力実験にはイメージインテンシファイア付きビデオカメラを使用することができないので，2021年度に向けて引き続き観察用デジタルビデオカメラを検討・模索する．実験パラメータは以下を予定している．
〇雰囲気温度・圧力 〇無次元液滴間隔（＝液滴間隔／液滴初期直径） 〇点火用微小電熱面温度 雰囲気温度・圧力に依っては，冷炎の燃え広がりが起こっても，二段点火により途中から熱炎の燃え広がりと複合することが充分に考えられる．この燃え広がり形態も一つの冷炎燃え広がり現象としてとらえる．観察・測定項目は以下の３項目を予定している．
〇燃え広がり限界条件 〇燃え広がり形態 〇燃え広がり速度
以上の実験データについて，雰囲気温度・雰囲気圧力・無次元液滴間隔に対する冷炎燃え広がり速度のマッピングを行う（野村，菅沼担当）．得られた結果は研究分担者が開発した数値シミュレーションの検証に用い，未だ不確定な値が数多く残る中間生成物の輸送係数の調整などを行う（田辺，齋藤担当）．
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| Causes of Carryover |
研究成果が得られた時期が学会申し込み時期から遅れてしまったため，主として旅費が未使用となってしまった．2020年度は既に昨年度の成果があるので，積極的に外部発信を行う予定である．
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[Journal Article] Spontaneous Ignition Behavior of n-Decane Fuel Droplet Array near Ignition Limit2019
Author(s)
Masanori SAITO, Yurie OHNO, Hirotaka KATO, Yusuke SUGANUMA, Masato MIKAMI, Masao KIKUCHI, Yuko INATOMI, Takehiko ISHIKAWA, Osamu MORIUE, Hiroshi NOMURA, Mitsuaki TANABE
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Journal Title
Int. J. Microgravity Sci. Appl.
Volume: 36
Pages: 1-8
DOI
Peer Reviewed / Open Access
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