2021 Fiscal Year Annual Research Report
Modeling of the transition mechanism from combustion noise to tangential-mode combustion instability via velocity perturbations
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19K15217
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
庄司 烈 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (20833172)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 環状燃焼器 / 燃焼振動 / 弱旋回流 / 水素火炎 / モード解析 / 光学計測 / 希薄予混合燃焼 / 遷移現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ガスタービン・航空機エンジン等の燃焼器で発生する燃焼振動は、強い発熱率・圧力・流速変動を伴うため、燃焼器の構造破壊に直結する。実機燃焼器においては、軸方向モードの振動に加えて、より抑制されにくい周方向モードの振動が発生する可能性があり、燃焼器運用の安全性に多大な影響を与える。また近年、水素航空機開発の機運が急速に高まっており、航空エンジン用低NOx燃焼器の水素燃料対応に向けた技術開発が世界的に加速している。そのため、水素燃焼器において発生する燃焼振動の現象把握を行うことは、学術的意義及び燃焼振動が発生しにくい燃焼器の最適設計に繋がる技術的試験の獲得に寄与する。
そこで本研究では、実験室スケールの単管及び環状弱旋回燃焼器を用いた大気圧水素希薄予混合燃焼試験に対して高時空間分解能の発熱率・圧力・流速変動計測を行い、各パラメータ間の相互干渉を周期性と位相差及び動的モードの相関によって分析することによる現象把握を詳細に行った。
その結果、単管燃焼器では燃焼振動発生時において、先行研究で確認されていたお椀型の火炎ではなく、強い流速変動が原因となって形成される外側再循環領域と同規模スケールの渦構造を内包する平坦に近い形状の火炎が本研究で初めて観測された。その成果をまとめた査読論文は、燃焼分野において国際的に権威あるジャーナルにも受理された。モード解析の結果、本現象は比較的大規模スケールの渦が火炎と強い干渉を起こし、非常に強い圧力変動と流速変動を伴う水素火炎特有の現象であることが明らかとなった。
環状燃焼器では、周方向に回転する比較的弱い圧力変動のピークが約1250Hz付近に観測された。また、隣接する2つの火炎同士の干渉により、火炎間の軸方向流速が加速するとともに、左右に揺らぐ現象が確認された。この火炎の干渉による流速場の変化が、周方向モードの燃焼振動と深く関連している可能性が示唆された。
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