ポーラス構造部材を用いた高気密空間内水素ガス爆発事故被害低減法の実現可能性検証

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04929
• Research Institution: Shibaura Institute of Technology
• Principal Investigator: 斉藤 寛泰 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (80362284)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 爆発圧力緩和 / 水素ガス爆発 / 減災システム / ポーラス体

Outline of Annual Research Achievements

初年度において，2年目の研究計画を一部前倒して，課題1（一次元伝播火炎とポーラス体の干渉），ならびに，課題2（三次元爆燃空間における効果）の検証を実施し，ポーラス構造体に見立てたガラスビーズ充填層を爆発空間の壁面に設置することで，圧力上昇をかなり緩和できること，空隙率は同程度であってもガラスビーズ直径によって爆発圧力の緩和レベルには大きな差があることを示した（直径3，6，9mmでは，3mmの場合が最も効果が大きい）．しかしながら，使用した円筒形状定容燃焼容器は，直径100mm，高さ100mmであり，ガラスビーズ充填層に接触する際の水素‐空気混合気中の火炎伝播速度は高々数10m/sのオーダであったことや，内直径31mm，長さ950mmのガラスビーズを充填したガラス管を用いた一次元伝播火炎実験においても火炎を十分加速した条件ではなかったことなどが未検討課題として残った．気密性が高く，大規模な空間での水素ガス爆発の発生を想定した場合，100m/sオーダの速度をもつ伝播火炎に加え，衝撃波を伴う爆轟波にも有効であることが必要である．そこで本年度は，低速から高速の爆燃波，ならびに，爆轟波までの検証が可能な一次元配管実験装置（全長約2m：ポーラス構造体充填層1m＋火炎加速区間1m）の設計製作を行った．その際，ガラスビーズ充填層内部の圧力波と燃焼反応領域の進行を同時にかつ多点でモニタリングするため，配管側壁の複数個所に燃焼反応の存在を示すOH*ラジカル自発光（306nm付近）観測用の光電子増倍管と高速応答の圧力センサを配置した．本装置を用いて水素‐空気混合気中の爆燃波および爆轟波の進行を観測した結果，極めて良好な圧力波形と火炎自発光信号の時系列データが得られることを確認した．これにより，様々な条件のもとでポーラス構造体充填層内の圧力波の伝播と燃焼波の進行状態を観測できる実験環境が整った．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究の当初計画では，以下の3つの課題を設定した．
１）課題1：一次元伝播火炎とポーラス体の干渉（初年度，2年目）
２）課題2：三次元爆燃空間における効果（初年度，2年目）
３）課題3：爆燃空間のスケール効果（最終年度）
ポーラス構造体をガラスビーズ充填層でモデル化し，限定的な実験条件ではあるものの，課題1と課題2について検証した結果，爆燃空間壁面にポーラス体を設置しておけば，構造物内の圧力上昇をかなり緩和できる可能性があることを明らかした．ガラスビーズ径については，3，6，9mmの選択肢の中では，3mmの場合に圧力上昇の緩和効果が最も大きいことを示した．すなわち，ポーラス構造体を備えるマクロな効果自体は明らかになったと考えられる．しかしながら，ポーラス構造体内部の燃焼波の進行や圧力波の伝播の詳細，および，ポーラス体の構造特性がそれらに及ぼす影響について最終的な結論を導くにはさらなる検証実験を要する状況である．研究の最終年度では，課題3の実施とともに，上述のミクロな視点からみた効果も明らかにする．

Strategy for Future Research Activity

計画の最終年度は，以下の3点を実施する．基本的な方針は初期計画通りである．
１）（令和2年度において整備した一次元配管装置を用いた検証実験）ポーラス構造体へ爆燃波と爆轟波を入射させ，内部の火炎伝播ならびに圧力波の伝播に及ぼすポーラス構造体の材質や充填粒子径，水素‐空気混合気の初期圧力の影響を明らかにする．
２）（円筒形状定容燃焼容器を用いた検証実験）長さスケールを1.5～2倍，すなわち，体積を3.375～8倍程度にした定容燃焼容器を用いた実験を実施し，スケール効果を明らかにする．その際，容器内の圧力上昇のモニタリングだけではなく，円筒容器の上面・底面に備え付けたポーラス構造体保持部の一部に内部観測用の可視化窓を取り付け，サーモグラフィカメラにより撮影する．温度計測により，熱的に厳しい条件となる部分を把握する．
３）研究結果の総括

Causes of Carryover

実験装置の製作費や消耗品費の削減等により残金が発生したためである．次年度における実験に必要な物品の購入に充当する．