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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Elucidation of unstable combustion and construction of its AI-based sign detection for hydrogen combustion under lean-burn condition

Research Project

Project/Area Number 22H00192
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

黒瀬 良一  京都大学, 工学研究科, 教授 (70371622)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 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)
立花 繁  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 上席研究開発員 (50358496)
横森 剛  慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90453539)
PILLAI ABHISHEKLAKSHMAN  京都大学, 工学研究科, 助教 (90887332)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Keywords不安定燃焼 / 水素 / AI検知 / 計測 / 数値シミュレーション
Outline of Annual Research Achievements

(1) 実験:(Ⅰ)単管燃焼器:フラッシュバックの計測が可能な弱旋回燃焼器及びシステムを設計し,安全装置として,光センサーによる逆火検知と燃料供給自動停止機構,フレームアレスター,ラプチャーディスクを採用した.また,燃焼器出口から上流側の金属壁を石英ガラス管に変更し,フラッシュバック発生時の燃焼器内部における火炎と流速場の挙動の可視化を可能とした.以上の機能を持つ燃焼器を製作し,予備試験としてフラッシュバック発生前後における燃焼器内変動圧,OH*自発光画像,流速場(PIV)の高時間分解能同時計測を実施した.その結果,バルク流速15m/sの水素-空気希薄予混合火炎について,当量比約0.63でフラッシュバックが発生することを確認し,燃焼器の安全装置が正常に働くことを確認した.また,上記3点の計測項目についても,問題なく計測ができることを確認した.(Ⅱ)アニュラ燃焼器:バルク流速5m/s,当量比0.4,燃焼器内壁高さ150~335mm(内壁外径140mm),外壁高さ250~400mm(外壁内径250mm)の試験条件において水素燃料を用いた希薄予混合燃焼試験を実施し,燃焼器内変動圧,OH*自発光画像,流速場(PIV),燃焼器外側の音圧レベル(SPL)の計測を行った.計測の結果,内壁高さ220mm,外壁高さ350mmの条件において,周波数約1300Hz,片側振幅約15~20Paの燃焼器周方向モードの圧力変動を確認した.また,OH*自発光画像とPIV計測の結果から,隣接する火炎の干渉が強く発生していることが明らかとなった.
(2)数値計算:実験で設計された単缶燃焼器およびアニュラ燃焼器を対象に,メッシュ作成,および試計算を行った.この結果,単管燃焼器およびアニュラ燃焼器内の乱流燃焼場をインハウスの直交座標系コードFK3を用いたLESにより概ね再現可能であることを確認した.また,水素燃焼に顕著となる選択拡散の効果を考慮可能なフレームレット法を確立し,その有効性を明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アニュラ燃焼実験に関してはより強い圧力変動が起こる条件を探す必要があるものの,単管燃焼実験,アニュラ燃焼実験ともに,実験装置の基本設計および試行実験は終えており,順調に進んでいる.また,数値計算についても,まだ定量的な比較にまでは至っていないが,定性的には単管燃焼器内のフラッシュバック,アニュラ燃焼器内の火炎の干渉を再現可能であることを確認しており,滞りなく進展している.

Strategy for Future Research Activity

(1) 実験:(Ⅰ)単管燃焼器:2022年度に構築した燃焼器を使用し,バルク流速10~25m/sの流速範囲においてフラッシュバック発生前後における①燃焼器内変動圧,②OH*自発光画像,③流速場(PIV)の高時間分解能同時計測を行うことにより,フラッシュバック発生時の燃焼器内部における圧力変動及び火炎と流速場の挙動を詳細に調べる.また,実験を通じて装置の修正点を抽出し,要すれば2024年度に向けた装置の改修を行う.(Ⅱ)アニュラ燃焼器:バルク流速4~8m/s程度,当量比0.25~0.4程度,燃焼器内壁高さ150~335mm(内壁外径140mm),外壁高さ250~400mm(外壁内径250mm)の2022年度と比較してさらに幅広い試験条件において燃焼試験を実施し,より強い圧力変動が発生する条件を調べる.強い圧力変動が発生する条件に特に焦点をあてて①燃焼器内変動圧,②OH*自発光画像,③流速場(PIV),④燃焼器外側の音圧レベル(SPL)の高時間分解能同時計測を行う.これにより,燃焼器内の発熱率,圧力,流速変動と同時に,燃焼器から外部へ放出される騒音レベルを高時間分解で取得する.また,2024年度に向けた装置の改修も実施する.
(2) 数値計算:上記の実験と同じ条件で単管燃焼器およびアニュラ燃焼器内乱流燃焼場のLESを実施する.また,LES結果と計測結果との定量的な比較を行い,LESの精度検証を行うとともに,単管燃焼器内のフラッシュバック,およびアニュラ燃焼器内の火炎の干渉に関するダイナミクスを詳しく調べる.さらに,単管燃焼器内で起こるフラッシュバックおよび燃焼振動の機械学習(AI)による検知の可能性について検討を開始する.

  • Research Products

    (14 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 2 results) Presentation (8 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] LES flamelet modeling of hydrogen combustion considering preferential diffusion effect2023

    • Author(s)
      Kai Reo、Tokuoka Taiki、Nagao Jun、Pillai Abhishek Lakshman、Kurose Ryoichi
    • Journal Title

      International Journal of Hydrogen Energy

      Volume: 48 Pages: 11086~11101

    • DOI

      10.1016/j.ijhydene.2022.12.164

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Flame self-interaction during turbulent boundary layer flashback of hydrogen-rich premixed combustion2023

    • Author(s)
      Ahmed Umair、Malkeson Sean P.、Pillai Abhishek L.、Chakraborty Nilanjan、Kurose Ryoichi
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 8 Pages: 023202

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.8.023202

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical investigation of wall effects on combustion noise from a lean-premixed hydrogen/air low-swirl flame2023

    • Author(s)
      Nagao Jun、Pillai Abhishek Lakshman、Shoji Takeshi、Tachibana Shigeru、Yokomori Takeshi、Kurose Ryoichi
    • Journal Title

      Physics of Fluids

      Volume: 35 Pages: 014109

    • DOI

      10.1063/5.0131974

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Investigation of combustion noise generated by an open lean-premixed H2/air low-swirl flame using the hybrid LES/APE-RF framework2022

    • Author(s)
      Pillai Abhishek Lakshman、Inoue Shimpei、Shoji Takeshi、Tachibana Shigeru、Yokomori Takeshi、Kurose Ryoichi
    • Journal Title

      Combustion and Flame

      Volume: 245 Pages: 112360~112360

    • DOI

      10.1016/j.combustflame.2022.112360

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Analysis of the Evolution of the Surface Density Function During Premixed V-Shaped Flame-Wall Interaction in a Turbulent Channel Flow at Ret = 3952022

    • Author(s)
      Kai Reo、Pillai Abhishek Lakshman、Ahmed Umair、Chakraborty Nilanjan、Kurose Ryoichi
    • Journal Title

      Combustion Science and Technology

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1080/00102202.2022.2150971

    • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pressure-based semi-implicit solver considering real gas effect2023

    • Author(s)
      Sho Wada, Reo Kai, Ryoichi Kurose
    • Organizer
      The 11th Asian Joint Conference on Propulsion and Power (AJCPP2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] A study on FGM method considering preferential diffusion for numerical simulation of hydrogen/air premixed flame2023

    • Author(s)
      Reo Kai, Kazuhiro Kinuta, Ryoichi Kurose
    • Organizer
      The 11th Asian Joint Conference on Propulsion and Power (AJCPP2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of increased equivalence ratio on combustion instability of premixed hydrogen flames in lowswirl combustor2023

    • Author(s)
      Jun Nagao, Maho Kawai, Abhishek L. Pillai, Ryoichi Kurose
    • Organizer
      The 11th Asian Joint Conference on Propulsion and Power (AJCPP2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of wall effects on combustion noise from a lean-premixed H2/air low-swirl flame using a hybrid LES/APE-RF approach2022

    • Author(s)
      Abhishek. L. Pillai, Jun Nagao, Takeshi Shoji, Shigeru Tachibana, Takeshi Yokomori, Ryoichi Kurose
    • Organizer
      75th Annual Meeting of the American Physical Society’s Division of Fluid Dynamics (APS DFD)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Influence of equivalence ratio on combustion instability of a low-swirl flame under lean-hydrogen conditions2022

    • Author(s)
      Jun Nagao, Abhishek L. Pillai, Takeshi Shoji, Shigeru Tachibana, Takeshi Yokomori, Ryoichi Kurose
    • Organizer
      75th Annual Meeting of the American Physical Society’s Division of Fluid Dynamics (APS DFD)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水素拡散火炎の数値計算への解適合格子法の適用2022

    • Author(s)
      河合真穂, 長尾 順, 黒瀬良一
    • Organizer
      第60回燃焼シンポジウム
  • [Presentation] 火炎伸長を考慮したFGM-PD法を用いた希薄水素球状伝播火炎の数値解析2022

    • Author(s)
      衣田和弘, 甲斐怜央, 黒瀬良一
    • Organizer
      第60回燃焼シンポジウム
  • [Presentation] 当量比が希薄水素乱流予混合弱旋回燃焼器内における燃焼振動に与える影響2022

    • Author(s)
      長尾 順, Abhishek L. Pillai, 庄司 烈, 立花 繁, 横森 剛, 黒瀬良一
    • Organizer
      第50回日本ガスタービン学会定期講演会
  • [Remarks] 京都大学熱物理工学(黒瀬)研究室

    • URL

      http://www.tse.me.kyoto-u.ac.jp/

URL: 

Published: 2023-12-25  

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