2019 Fiscal Year Research-status Report

時空間操作を用いた詳細反応機構に基づく革新的乱流燃焼シミュレーションへの挑戦

Research Project

Project/Area Number	19K21927
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	河合宗司東北大学, 工学研究科, 教授 (40608816)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	寺島洋史 (石原洋史) 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20415235)
Project Period (FY)	2019-06-28 – 2021-03-31
Keywords	数値流体力学 / 詳細反応機構 / 燃焼 / 熱工学 / LES
Outline of Annual Research Achievements	研究初年度となる本年度は、LESで用いるような火炎内部構造を直接格子で解像しない粗い格子を用いたとしても、層流伝播火炎の燃焼速度および火炎内部構造を正しく再現できる物理モデルの開発を試み、モデルの構築に成功した。本提案モデルでは、火炎面は格子で解像しないスケールの現象であると考え、LES空間フィルターを施した支配方程式に現れる火炎面に関するサブグリッドスケール項のモデル化を物理的に矛盾なく行ったものである。これにより、粗い格子上でも火炎面が解像できるように火炎構造を空間的に広げるが、火炎内部構造の詳細な物理量分布は変えないことが可能となり、火炎伝播現象を正しく再現できることを示した。さらに本モデルの構築では、高階微分項を用いることにより火炎局所特性を持たせ、反応支配となる自着火現象を阻害しない特長を持たせた。また本モデルを定容容器簡易エンジン内のノッキング解析に適用し、圧力上昇環境下における火炎伝播速度および自着火タイミングを正確に再現できることも示した。ここでは圧力上昇とともに火炎厚さが薄くなるが、本モデルの局所・動的特性により、非定常に薄くなる火炎を適切かつ自動的にモデル化可能であることを示した。これは他の既存火炎面モデルには見られない本提案モデルの特長である。これらの研究成果は、ながれ注目論文に掲載され、2021年開催予定の国際燃焼シンポジウムにも口頭発表として採択されている。加えて、本モデルの乱流燃焼流れへの発展を鑑み、乱流と火炎面の干渉現象に対するサブグリッドスケール項の概念を火炎面モデリングに展開する理論的な定式化を導出した。また渦・火炎面干渉問題を対象に、DNS解析を用いた参照データベースの構築や、今年度開発した乱流・火炎面干渉効果をモデル化していない火炎面モデルの乱流燃焼解析に対する問題点を明確にするため、粗い格子を用いた本モデルによるLES解析に着手した。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 1: Research has progressed more than it was originally planned. Reason 初年度は、層流火炎を対象に火炎面内部構造を直接解像しない粗い格子上での物理モデルの理論構築に時間をかけたが、広範な燃料および圧力条件などに対してロバストな物理モデルの構築に成功することができた。本研究成果は、2021年に開催予定の国際燃焼シンポジウムに口頭発表として採択されている。また加えて、研究開始当初は次年度の研究計画であった、本物理モデルの乱流燃焼流れへの発展に向けた、渦・火炎面干渉問題を対象としたDNS解析による参照データベースの構築や、粗い格子を用いた本モデルによるLES解析を前倒しで着手することができた。このような状況から、達成度は当初の計画以上に進展しているとした。
Strategy for Future Research Activity	初年度で得られた研究成果を基盤とし、乱流燃焼流れへ本火炎面モデルを発展させる。ここでは、長さスケールおよび速度スケールを変えた渦と火炎面との干渉問題を考え、火炎構造および渦を直接格子で解像するDNS解析を参照データベースとして構築し、火炎面モデルを用いた火炎構造を解像しない粗い格子でのLES解析と直接比較することで、渦による火炎面の伸長効果やそれによる乱流火炎伝播速度が適切に再現されているかなど、モデルの妥当性を詳細に検証し、適切な乱流燃焼モデルを確立していく。
Causes of Carryover	研究の進展過程で、火炎面モデルの理論構築・検証で非常に良いモデルが構築でき（ながれ注目論文や国際燃焼シンポジウムに口頭発表採択）、当初の計画以上に乱流燃焼流れへの発展に向けた解析にも着手できる見込みがあったため、次年度に乱流燃焼流れの大規模解析を加速し、研究成果および成果公表の最大化を図るべきと判断し、大規模計算を加速させる大型計算機利用費や成果公表（国際学会発表や論文投稿）のために予算を残した。