2022 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Engineering Estimation Model on the Critical Condition for Ignition of Flowing Premixed Flammable Mixture by Heated Surface based on Academic Investigation
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21H01576
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| Research Institution | Suwa University of Science |
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Principal Investigator |
今村 友彦 公立諏訪東京理科大学, 工学部, 准教授 (50450664)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桑名 一徳 東京理科大学, 理工学研究科国際火災科学専攻, 教授 (30447429)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 着火 / 臨界条件 / 流動 / 可燃性ガス / 加熱壁面 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は高温熱線，ホットプレート，たばこなど一定のパワーで加熱される熱面による，流動可燃性予混合気の着火現象に注目し，その臨界条件の定量的予測を可能とする学術的モデルの構築を目指すものである。研究は大きく①着火の成否を分ける臨界の熱流束値を定量予測できるモデルの開発，②着火遅れ時間及び臨界着火温度の定量予測モデルの開発，③多様な流れ場及び加熱面形状の着火問題への拡張，の3つのサブテーマで構成している。2022年度はこのうち主に①及び③について，実験・数値シミュレーション及び理論解析を駆使してその解明に取り組んだ。具体的には，従来使用していたセラミックヒーター（25mm四方，厚さ1.75mm）の正方形面が流れに平行になるように配置を変更し，濃度及び流速をさまざまに変化させた着火実験を実施した。その結果，着火臨界となる熱流束は従来の配置に比べて若干大きくなるが，依然として着火は熱面の後流側で生じることを明らかにした。これらの結果と，前年度までに取得していたデータを合わせ，次元解析によって着火臨界条件を支配する無次元数を導いた。さらに，実験結果からの類推により，熱面から供給されるパワーのうち着火に有効に寄与する割合が存在すると仮定して，これを表現できる変数をモデルに導入したところ，自然対流，強制対流の場合を問わず臨界着火熱流束を良好に予測できた。このことは，逆に加熱パワーが既知となれば（すなわち高温熱面の駆動電力が分かれば）着火温度を予測できることも示している。これらの成果は国際火災学会（IAFSS2023, つくば）にてFull Paper審査を経て口頭発表に採択された。
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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
研究実績の概要の項に示した通り，本研究は①着火の成否を分ける臨界の熱流束値を定量予測できるモデルの開発，②着火遅れ時間及び臨界着火温度の定量予測モデルの開発，③多様な流れ場及び加熱面形状の着火問題への拡張，の3つのサブテーマで構成している。このうち，2022年度までで，①に掲げた着火臨界条件の定量予測モデルについては，0~2 m/sまでの低速流動条件において，物性データベースや化学平衡計算プログラムなどによって予測できる物性値（密度，比熱，熱伝導率，燃焼速度等）及び入力条件となる熱面温度等を用いて，着火臨界となる熱流束値を良好に予測できるモデルを開発した。このモデルでは，逆に熱面駆動電力を入力条件として，着火臨界となる熱面温度をも予測できる形になっており（この成果は上記テーマ②の一部に該当する），火災安全工学上有用性が高い。さらに，加熱面の向きや予混合気の組成を変化させた実験も実施しており，上記テーマ③の課題にも沿ったモデルとなっている。さらに，着火臨界条件の比較のために実施した，平板フランジ付き電極を用いた着火実験により消炎距離を求める実験も実施しており，流動時の消炎距離が平板内を通過する火炎伝播速度によって決まるとしたモデルを構築した。このモデルの精度をさらに向上させるには，着火初期の燃焼速度の過渡的変化を考慮する必要があることを突き止め，これを表現するべく燃焼速度の解析を実施しているところである。これらの成果は国際学会プロシーディングス，国内学術論文誌として複数の誌上発表を行っており，加えて，国内学会でも複数の口頭発表を行っている。以上により，本研究は現在に至るまで当初予定通り順調に進行している。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記に示した本研究を構成する3つのサブテーマに照らし，今後の研究方針は以下のとおりである。
①着火の成否を分ける臨界の熱流束値を定量予測できるモデルの開発，③多様な流れ場及び加熱面形状の着火問題への拡張
2022年度に構築したモデルの適用範囲拡張を目指し，特に昨今，カーボンニュートラルの観点から自動車燃料としてのみならず多様な用途での活用が期待されている水素に注目して，水素／空気予混合気を用いた実験を実施する。その結果をモデルに適用し，モデルの妥当性を検証する。
②着火遅れ時間及び臨界着火温度の定量予測モデルの開発
2022年度構築モデルは着火の臨界条件を対象としているので，いわば着火に必要な最小の熱流束値及び熱面温度を求めている。一方，例えばショートによる大電流によって電気配線が急速加熱されて着火に至るケースなどでは，熱面の加熱速度が上述の臨界条件時とは大きく異なる。この場合，2022年度構築モデルのコンセプトから考えると，臨界条件における着火温度よりも低い温度であっても着火臨界となる熱流束を満たせるので着火に至る可能性が指摘される。そこで，2023年度は主にこの点をクリアにすることに注目して，グロープラグなどを用いて急速加熱した場合の着火温度に関する実験データを積極的に収集する。併せて，前年度までの知見及び手法を活かし，これを事前予測可能なパラメータを入力条件として予測できるモデルの開発に取り組む。
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