2023 Fiscal Year Annual Research Report
渦流れによる吸音現象を利用したボイラ管群気柱共鳴現象の革新的防止対策の開発
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21H01278
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Oita University |
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Principal Investigator |
濱川 洋充 大分大学, 理工学部, 教授 (30243893)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
富来 礼次 大分大学, 理工学部, 教授 (20420648)
劉 孝宏 大分大学, 理工学部, 教授 (60230877)
栗原 央流 大分大学, 理工学部, 准教授 (90344481)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 渦 / 気柱共鳴現象 / 管群 / ボイラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、CO2排出量が少ないコンバインドサイクル発電システムの開発が積極的に進められている。本発電において使用される排熱回収用ボイラなどの熱交換器の伝熱管群では、度々気柱共鳴現象が発生し振動と騒音が問題となる。本研究は、伝熱性能に優れた管群の一部において渦による吸音現象を利用して音響減衰を増加させ、気柱共鳴現象の発生を防止する新しい防止対策および設計法を開発することを目的とする。以下を明らかにする。(1) 音響管において渦流れによる吸音効果の増大および減少のメカニズムを解明する。(2) 管群からの渦放出音による音響励起力の増大と渦による吸音現象の関係を解明する。(3) 管群部における音響励起力と音響減衰特性をモデル化し、運動方程式を作成し安定判別を行い、防止対策の開発および設計法を構築する。
本研究では、抗力方向の管配列のピッチ比が2.8、揚力方向が2.0の格子配列管群において、気柱共鳴現象の発生特性と渦放出の挙動を実験的に調査した。共鳴有り時と無し時の壁面音圧の増加率が、共鳴有り時と無し時の渦放出の同期化割合の増加率と等しくなった。共鳴によって、渦放出の周波数、同期性、周期性、渦強度、管軸方向相関長などが影響を受けると考えられるが、共鳴が弱い弱連成のときには、壁面音圧の上昇は主に管群内の渦放出の位相が揃う同期化に起因すると考えられる。管群の抗力方向の管配列のピッチ比が小さい2.0、揚力方向が2.0の正方配列管群において同様の実験を行ったところ、揚力方向モードの共鳴は発生せずに抗力モードが発生した。管群内では交互渦と双子渦の発生が観察されたが、渦放出周波数は、前に提案した渦放出周波数の予測式の周波数とは異なることが分かった。
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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
本研究では、管抗力方向の管ピッチ比を大から小へと変化させたときの格子配列管群から渦放出と気柱共鳴現象との関係を実験的に調査した。管抗力方向管ピッチ比が4.0、3.5、2.8の格子配列管群では、渦放出による気流音が原因で気柱共鳴現象が発生し、既存のストローハル数のマップで周波数が予測できることが分かった。管抗力方向ピッチ比2.8の場合にPIVにて管群内の渦放出の挙動を測定したところ、共鳴有り時と無し時の壁面音圧の増加率が、共鳴有り時と無し時の渦放出の同期化割合の増加率と等しくなった。共鳴によって、管群内の渦放出の周波数、同期性、周期性、渦強度、管軸方向相関長などが影響を受けると考えられるが、共鳴が弱い弱連成のときには、壁面音圧の上昇は主に管群内の渦放出の位相が揃う同期化に起因することが分かった。管抗力方向の管ピッチ比が小さい2.0、1.8、1.7、1.6、1.4の場合には、既存のマップと一致しないため、渦放出周波数の予測式を新たに提案した。管抗力方向ピッチ比2.0の場合にPIVにて管群内の渦放出の挙動を測定したところ、管表面の圧力変動から求めた渦放出周波数とは一致しないことが分かった。また、揚力方向モードの共鳴は発生せずに抗力モードが発生した。管群内では交互渦と双子渦の発生が観察されたが、渦放出周波数は、前に提案した渦放出周波数の予測式の周波数とは異なることが分かった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、共鳴モードの粒子速度の腹付近に吸音効果の高い管群配列などを導入し、 渦による吸音を利用して気柱共鳴現象を防止する。次年度は本年度の成果を基にして以下を行う。
（1）管群の音響励起力の増大と渦による吸音現象の関係の解明：渦は吸音効果を有する。管群配列および気流流速を変化させて、管群内の渦挙動をPIVにより測定し、実験的に管群からの渦放出による音響励起力の増大と渦による吸音効果との関係を解明する。音響励起力と渦による吸音性能を定量的に評価する。
（2）運動方程式の作成と安定判別による防止法の開発および設計法の構築：管群における音響励起力と音響減衰特性をモデル化し、運動方程式を作成し、安定判別を行い気柱共鳴現象の発生の有無を判断する。気柱共鳴現象の防止法の開発および設計法の構築を行う。様々な管群配列にて特性の違いを明らかにするとともに検証を行う。
（3）フィン付き管群における防止法の開発および設計法の構築：円管に密に設置されたフィンは、多孔板と同様の吸音効果を有する可能性がある。フィンには、伝熱面積を増やすために平板の間隔を密にらせん状に巻きつけたものや、その平板に鋸刃状に切り込みを入れたものなどがある。フィンの形状を工夫すれば、渦のスパン方向相関長を短くし気柱共鳴現象の励起力を低減できる。また、圧力損失を発生させることから、吸音効果を有し、気柱共鳴現象の防止に効果があると考えられる。音響励起力と減衰特性に及ぼすフィン形状の影響をモデル化し、フィン付き管群の場合における防止法の開発および設計法の構築を行う。様々なフィン形状および管群配列にて特性の違いを明らかにするとともに検証を行う。
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