2015 Fiscal Year Research-status Report
2000℃級ガスタービン用先進的フィルム冷却の流動伝熱場の基礎データベースの構築
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26420145
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| Research Institution | Tokushima Bunri University |
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Principal Investigator |
武石 賢一郎 徳島文理大学, 理工学部, 教授 (70379113)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小宮山 正治 岐阜大学, 工学部, 教授 (40178372)
小田 豊 関西大学, 工学部, 准教授 (50403150)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | フィルム冷却 / 乱流混合 / シェイプトフィルム / 数値伝熱解析 / LES / PSP / LIF / PIV |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成２６年度に引き続き、円孔およびシェイプトフィルム冷却孔の２種の伝熱模型を用いて、フィルム冷却空気の旋回強度をパラメータに、冷却壁面上のフィルム冷却効率をPSPで、また主流の混合の流動場をアセトンLIFとPIVで計測した。レーザ光学システムを流れ方向に自動トラパースする装置を導入して、連続した3次元的な流動場の測定を実施した。フィルム冷却孔形状に関しては、従来のシェイプト孔の形状を保った状態で、シェイプト孔の空間体積が大幅に大きくした深掘りシェイプト孔を考案し、同様の測定を行った。その結果、深掘りシェイプトフィルム孔は、従来のフィルム冷却孔の効率に比べて、約40%高い効率を示すことが明らかになった。
一方アセトンLIFの定量測定法を、メタンを燃料とする予混合燃焼の反応を伴うガス燃料と空気の混合流動場に適用した。その結果酸素濃度が不均一な場での反応面の形状は，均一な場での反応面の形状に比較して，複雑な形状を示すことが明らかになった。
また数値解析の分野では、平成26年度に開発したLarge Eddy Simulationに基づく数値シミュレーションプログラムの改良および機能の追加を行った．具体的には，実際のフィルム冷却で重要なパラメータとなる主流高温ガスとフィルム冷却空気の密度比を考慮するため，既存の非圧縮性流体解析プログラムに低マッハ数近似による解析ルーチンを導入し，主流とは密度が異なる冷却空気を用いたフィルム冷却の数値シミュレーションの実施を可能とすると共に、本プログラムを用いてシェイプトフィルム冷却孔を用いたフィルム冷却の数値解析を行った．冷却空気と主流の密度比をDR = 1.0とDR = 2.0とした数値解析を実施し，密度比がフィルム冷却効率に及ぼす影響を検討した．その結果、密度比のフィルム冷却空気と主流との混合状態への影響が明らかになった。
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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
円孔フィルムと典型的なシェイブトフィルム孔の2種の模型を用いて、さらにシェイプトフィルム孔の形状を保ったままでシェイプト空間体積が大幅に拡大させた深掘りシェイプトフィルム孔について、フィルム冷却空気の旋回強さをパラメータに、壁面上におけるフィルム冷却効率をPSPで、主流とフィルム冷却空気の３次元混合場をLIFとPIVで測定した。H27年度はレーザ光学システムを流れ方向に自動トラパースする装置を導入して、流れ方向の各２次元断面のLIFに関するデータを取得することによって、３次元の立体的なデーター取得出来た。これにより、フィルム冷却空気と主流の３次元混合場の詳細な流動場に関する基礎データの一部が取得できた。
予混合燃焼場の燃料と燃焼用空気の混合場およびその後の燃焼場の定量的測定にアセトンLIFが適用可能かを調べるため実施した、測定では局所酸素濃度に依存した反応面の形状変化が観察され、アセトンLIFを反応面の詳細な測定に適用することが出来る（燃焼面までで燃焼後は別の測定方法が必要である。現在の研究ではOHラジカルの測定を試行している。）可能性を示した。
フィルム冷却のフィルム冷却空気と主流との乱流混合場の数値解析では平成26年度に開発したLarge Eddy Simulationに基づく数値シミュレーションプログラムの改良および機能の追加を行った。既存の非圧縮性流体解析プログラムに低マッハ数近似による解析ルーチンを導入し，主流とは密度が大きく異なる冷却空気を用いたフィルム冷却の数値シミュレーションの実施を可能となった。アセトンLIF法を用いたフィルム冷却の混合場の濃度分布測定データとの比較により良い一致を示した。
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| Strategy for Future Research Activity |
円孔フィルムと典型的なシェイブトフィルム孔の2種の模型を用いて、フィルム冷却空気の旋回強さをパラメートに、フィルム冷却効率および混合場でのアセトン濃度分布（時間平均値）のデータを整理する。また平行して、LESを主とした数値伝熱解析を実施し、実験値との比較を行い、数値伝熱解析精度の検証を行う。以上の過程から、フィルム冷却空気と主流との乱流混合場を比較するに足る十分なフィルム冷却の混合場の検証用測定データを選び出し、公開する。
従来形状のシェイプトフィルム冷却よりも約40％フィルム冷却効率が高い深掘りフィルム冷却孔の壁面をフィルムが覆うメカニズムを分析して、乱流混合を抑制してさらに効果的に広く、流れ方向に長くフィルム膜が覆うフィルム冷却孔形状を調べる。
アセトンLIF法の、希薄予混合燃焼への適用では、NOxの発生メカニズムの解明に繋がるよう、非燃焼場をアセトンLIFで、そして燃焼場をOHラジカルで瞬時同時計測する手法の開発行う。不均一燃料濃度が乱流燃焼の形態およびNOxの発生に関与するメカニズム解明を目指す。
フィルム冷却空気と主流との混合場を定量的に測定する方法として、アセトンLIFおよびPIVは有効な方法である事は明らかになっている。しかし、フィルム冷却の高性能化には、シェイプト孔のシェイプト空間を拡大した深掘りシェイプト孔が約40%フィルム冷却効率が高い結果が得られた。この原因は、シェイプト孔内で、一部主流のシェイプト孔への巻き込みが生じ、増加したフィルム冷却空気が壁面を覆ったと推定さる。このことから、壁面内部のシェイプト孔内部、さらにはフィルム冷却孔での冷却空気の挙動を測定する手法が必要である事が明らかになった。そこで最終年度のH28年度に、壁面中の流れから主流との混合での流れが測定可能と考えられるMRIを用いた測定を試行してみる。
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| Causes of Carryover |
レーザを用いたLIF測定系で光学レンズの購入を計画したが、現在保有の光学レンズで測定が可能となったため。また、予定した成果の論文発表を行わず、講演会費用・旅費を使用しなかったため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
H28年度のLIFでは測定できない箇所、すなわちフィルム孔内部の流動状態を測定する方法の先行的研究としてMRIによる測定を試行するが、その実験消耗品として使用を計画する。また最終年度であるので、得られた成果を広く普及するためH28年度は論文発表を増やす予定である。その講演会費用・旅費に使用する。
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