2021 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, 講師 (60739035)
齊藤 允教 日本大学, 理工学部, 准教授 (20801020)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 噴霧燃焼 / 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 |
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．
2021年度は，開発した熱線式定温度型冷炎強制点火装置を用い，通常重力場において冷炎のデカン燃料液滴列水平火炎燃え広がり実験を高温雰囲気中で行った．冷炎燃え広がり速度計測を行うため，高速度ビデオカメラを用いた．高速度ビデオカメラには微弱光である冷炎は写らないので，バックリット光学系を用いて液滴直径履歴を計測し，液滴直径の変化が液滴列に沿って伝播するその伝播速度から冷炎燃え広がり速度を計測した．冷炎の発生を確認するため，ホルムアルデヒド発光波長に感度のあるイメージ・インテンシ・ファイヤにバンドパスフィルタを設置し，冷炎撮影も試みた．大気圧，雰囲気温度473, 498および523 K，液滴直径0.75 mm，液滴間隔2 mmの条件で正デカン液滴列水平火炎燃え広がり速度を５液滴列で計測した．また，液滴列を高温室に挿入してから点火装置を作動させるまでの時間を点火待ち時間とし，点火待ち時間が燃え広がり速度に及ぼす影響を調べた．冷炎燃え広がり速度は，雰囲気温度の増大および点火待ち時間の増大に伴って増大した．点火待ち時間を2.75 sとした場合，雰囲気温度473 Kの条件では冷炎燃え広がり速度が10 mm/sであるのに対し，雰囲気温度523 Kでは42 mm/sであった．この燃え広がり速度は雰囲気温度が室温の条件の熱炎燃え広がり速度の3/4程度である．点火待ち時間が燃え広がり速度に大きく影響することがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
単一液滴の冷炎点火実験，液滴列の冷炎燃え広がり実験を地上で行った．当初計画では2021年度は，北海道のコスモトーレ落下塔（微小重力時間：2.5 s）で冷炎燃え広がり実験を行う計画であったがコロナ禍の影響で実験出張ができず，研究室での地上実験を行った．雰囲気温度および点火待ち時間を実験パラメータとして実験データを収集した．燃え広がり速度の計測を，液滴直径履歴から算出する方法を確立した．
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| Strategy for Future Research Activity |
地上での予備実験がおわったので，まず学内の小型落下塔（微小重力時間：1.1 s）を使用して微小重力実験を行う．微小重力実験技術を習得した上で北海道のコスモトーレ落下塔を使用した微小重力実験に臨む計画である．
微小重力実験では，燃料液滴列を瞬時に高温空気室に挿入した後に実験装置全体を微小重力状態にし，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．バックリット法を用い，高速度ビデオカメラで液滴を観察する．各液滴の液滴直径履歴を求め，履歴の液滴間での遅れから火炎燃え広がり速度を計測する．実験パラメータは以下を予定している．
〇雰囲気温度 〇無次元液滴間隔（＝液滴間隔／液滴初期直径） 〇点火待ち時間
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 |
北海道での微小重力実験出張を予定してその旅費を予算計上していたが，コロナ禍が収束せず，出張実験を延期したため，次年度使用金が発生してしまった．次年度の使用計画は，2021年度の計画と同様，北海道落下塔での微小重力実験の旅費に充当する計画である．
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[Journal Article] Numerical Prediction of the Spontaneous Ignition of Cool Flame for the Microgravity Experiment by Using Sounding Rocket2021
Author(s)
Masanori SAITO, Yurie OHNO, Hirotaka KATO, Yusuke SUGANUMA, Akiyo TAKAHASHI, Masato MIKAMI, Masao KIKUCHI, Takehiko ISHIKAWA, Yuko INATOMI, Kenichi TAKAHASHI, Osamu MORIUE, Hiroshi NOMURA, and Mitsuaki TANABE
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Journal Title
Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan
Volume: 19
Pages: 539-544
Peer Reviewed
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