ガス爆発時における伝播火炎のフラクタル次元

2012 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 24310118
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Yamagata University
• Principal Investigator: 桑名 一徳 山形大学, 大学院・理工学研究科, 准教授 (30447429)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野口 佳樹 龍谷大学, 理工学部, 講師 (10351347)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: ガス爆発 / 予混合火炎 / 火炎伝播 / 不安定性 / フラクタル

Research Abstract

ガス爆発時の伝播火炎のフラクタル次元を実験的に求めるために,一次元乱流火炎伝播実験のための装置を作成し,メタン・空気混合気に対して様々な濃度で火炎伝播実験を実施した.異なるスケールの実験を行うことにより火炎伝播速度のスケール依存性を求め,フラクタル次元を得た.これにより,大量の可燃ガスを使うことなく火炎のフラクタル次元を測定する方法を確立することができた.そして,メタン・空気混合気に対してフラクタル次元の濃度依存性を実測することができた.
また,数値流体力学計算により二次元空間での火炎伝播シミュレーションを実施した.これは一次元乱流火炎伝播実験に相当する数値シミュレーションであり,火炎伝播速度の重力加速度依存性など,一次元乱流火炎伝播実験の結果を補正するための知見を得ることができた.
さらに,伝播火炎のフラクタル次元を理論的に予測することを目指して解析を実施した.今年度は,まず,火炎伝播を記述する微分・積分方程式を導出し,その性質を検討した.一次元乱流火炎伝播実験と同様に,火炎伝播速度のスケール依存性を求め,その結果に基づきフラクタル次元を導出できた.また,火炎形状のフーリエ解析などの手法によってもフラクタル次元を求められることを示した.この理論解析により,フラクタル次元に影響を及ぼし得るパラメータが混合気のルイス数(熱拡散率と拡散係数の比)および未燃気体と既燃気体の密度比であることを明らかにした.そして,今年度は,密度比がフラクタル次元に及ぼす影響を理論的に求めた.

Current Status of Research Progress

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

Reason

伝播火炎のフラクタル次元を実験的に測定するために,メタン・空気混合気に対して様々な濃度で一次元乱流火炎伝播実験を実施し,フラクタル次元の濃度依存性を世に先駆けて実測した.また,数値流体力学計算により,伝播速度の重力依存性など,一次元乱流火炎伝播実験の結果を補正するための知見を得た.さらに,理論的なフラクタル次元予測を目指し,火炎伝播を記述する方程式を導出し,その性質を検討できた.

Strategy for Future Research Activity

異なるガス種に対して一次元乱流火炎伝播実験を実施し,さらには理論解析も進め,理論および実験の両面からフラクタル次元のパラメータ依存性を明らかにする.今年度の理論解析により重要なパラメータを二つ特定したが,このうちルイス数の影響を解明するためには新たな実験が必要なことが分かった.そこで,ルイス数効果の解明を目指す実験・解析も実施する.

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

一次元乱流火炎伝播実験を実施した結果,伝播速度のスケール依存性(特にルイス数効果)を完全に理解するためには,当初の計画よりも幅広い条件で実験すべきだとわかった.そこで,翌年度は,更にスケールを変化させて実験する.また,二つの重要なパラメータのうちルイス数の効果のみを検証できる実験および数値シミュレーションを新たに実施し,フラクタル次元のパラメータ依存性の解明を目指す.