Study on coupling mechanism of acoustic vibration and propagating premixed flame by using laser irradiation method

• Project/Area Number: 18H03755
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 藤田 修 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10183930)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 橋本 望 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70392751)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥44,460,000 (Direct Cost: ¥34,200,000、Indirect Cost: ¥10,260,000); Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000); Fiscal Year 2020: ¥6,500,000 (Direct Cost: ¥5,000,000、Indirect Cost: ¥1,500,000); Fiscal Year 2019: ¥8,580,000 (Direct Cost: ¥6,600,000、Indirect Cost: ¥1,980,000); Fiscal Year 2018: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
• Keywords: 燃焼振動 / 予混合火炎 / Parametric Instability / アンモニア / ガスタービン / 燃焼速度 / 音響モード / アンモニア燃焼 / ルイス数 / Pressure coupling / Velocity coupling

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、以下の３つの項目について研究を実施した。
(1)管内伝播火炎の燃焼振動に関する理論的検討：伝播管内に音響定在波が存在するとした時の燃焼振動現象に及ぼす伝播管の境界条件、ルイス数影響、燃料種の影響、等について検討を行うとともに、これに引き続いて生じる２次不安定性に関する不安定領域マップの提示を行った。とくに１次不安定性で留まることなく必ず２次不安定性に移行するような条件を不安定性マップに基づいて示すことに成功した。
(2)平面火炎の圧力変動に対する不安定現象の観察：①従来から手がけている炭化水素燃料の燃焼に対し、２次不安定性に先立って火炎面に現れる火炎のセル構造を、火炎の発光現象に基づいて克明に取得することができた。また、この際の火炎に現れるセル構造の時間変化を詳細に取得し、圧力変動との相互関係やセル構造の特性値と混合気組成の関連性を捉えることができた。②再生可能エネルギー由来の燃料（アンモニア）の不安定現象の観察を行い、燃料希薄条件では炭化水素燃料に比べアンモニア予混合燃焼の方が不安定性の高くなる傾向を捉えた。
(3)変形を与えた火炎の不安定性の観察：前年度開発したレーザのダブルビーム照射法により、変形のセルサイズおよびセルの間隔と圧力変動の増幅率の関係を調べた。特に、混合気のルイス数（Le）が異なる場合の火炎変形と増幅率の相互関係を実験的に示し、理論的な解釈との比較を行った。この結果、従来の理解では火炎の不安定性は火炎に現れるセル構造の波数と振幅が支配的因子とされていたのに対し、火炎の変形が大きくなるとこれらの因子により不安定性を定量的に記述できず、火炎の表面積自体が音響振動のGrowth rateを決定する因子であることを実験的に示すことに成功した。
これらの成果は、学術講演会で口頭発表されたほか、当該分野で代表的な学術雑誌へ投稿し採択されるに至っている。

Current Status of Research Progress

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

Reason

計画に沿って研究は順調に進展しており、これまで研究成果は国内外の種々の学会で発表された他、燃焼分野を代表する国際ジャーナルへ研究3年目の時点ですでに８件の論文を公表することができている。また、全体計画の中で重要な部分を担う不安定現象の理論構築が大きく進展し、実験結果を理論と比較することで、例えば、１次不安定性を経由して２次不安定性に移行する場合と１次不安定性を経由せず２次不安定性に遷移する条件の存在することを示すことができた。また、ダブルビームによる実験手法を確立しこれにより火炎変形と不安定性の関係をより定量的に理解可能にするなど多くの成果が得られている。一方、研究計画を前倒しで進めていたアンモニアを燃料とした際の燃焼振動に関する研究は、限定的な条件での傾向を取得することに留まっており、アンモニアと炭化水素燃料の混合割合を系統的に取得する実験は次年度の作業となる。ただし、この部分については当初から研究期間４年目に計画されていた内容であり、全体として順調に進行している状況である。

Strategy for Future Research Activity

現在まで研究はおおむね順調に進展しており、今後も計画に沿って実施していく。とくに４年目は、アンモニア等の再生可能エネルギー由来の燃料に重点を置いて系統的にデータ取得を行うほか、火炎面に生じるファラデー不安定性等を考慮した理論研究をさらに推進する。また、得られた成果については、国内外での学会発表および学術論文として引き続き積極的に公表を行っていく。

Research Products

• [Journal Article] Effect of flame surface area of downward propagating flames induced by single and double laser irradiation on transition to parametric instability (2021)
  • Author(s): Nguyen T.G. Tri, Ajit K. Dubey, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 223 Pages: 450-459
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.10.026
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Acoustic parametric instability, its suppression and a beating instability in a mesoscale combustion tube (2021)
  • Author(s): Dubey Ajit Kumar、Koyama Yoichiro、Hashimoto Nozomu、Fujita Osamu
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 228 Pages: 277-291
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2021.02.006
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Exploring a critical diameter for thermo-acoustic instability of downward propagating flames in tubes (2021)
  • Author(s): Ajit Kumar Dubey, Yoichiro Koyama, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 38 Pages: 1945-1954
  • DOI: 10.1016/j.proci.2020.06.018
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Range of “complete” instability of flat flames propagating downward in the acoustic field in combustion tube: Lewis number effect (2020)
  • Author(s): Dubey Ajit K.、Koyama Yoichiro、Yoon Sung Hwan、Hashimoto Nozomu、Fujita Osamu
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 216 Pages: 326-337
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2020.03.003
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Experimental and theoretical study of secondary acoustic instability of downward propagating flames: Higher modes and growth rates (2019)
  • Author(s): Dubey Ajit K.、Koyama Yoichiro、Hashimoto Nozomu、Fujita Osamu
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 205 Pages: 316-326
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.04.010
  • NAID: 120007098302
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Blowout of non-premixed turbulent jet flames with coflow under microgravity condition (2019)
  • Author(s): Wang Qiang、Hu Longhua、Wang Shaoming、Wang Shuangfeng、Chung Suk Ho、Fujita Osamu
  • Journal Title: Combustion and Flame Volume: 210 Pages: 315-323
  • DOI: 10.1016/j.combustflame.2019.08.041
  • NAID: 120007173930
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effect of Le on criteria of transition to secondary acoustic instability of downward-propagating flame in a tube with controlled curvature induced by external laser (2019)
  • Author(s): Chung Yongho, Osamu Fujita. Nozomu Hashimoto
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 37 Pages: 1887-1894
  • DOI: 10.1016/j.proci.2018.06.159
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effect of geometrical parameters on thermo-acoustic instability of downward propagating flames in tubes (2019)
  • Author(s): Ajit KumarDubey, KoyamaYoichiro, HashimotoNozomu, FujitaOsamu
  • Journal Title: Proceedings of the Combustion Institute Volume: 37 Pages: 1869-1877
  • DOI: 10.1016/j.proci.2018.06.155
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Comparative theoretical study of thermoacoustic instability with single and twin flames in closed tubes (2020)
  • Author(s): Ajit Kumar Dubey, Youhi Morii, Hisashi Nakamura, Osamu Fujita, Kaoru Maruta
  • Organizer: 第58回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Experimental investigation on the transition to parametric instability of downward propagating flames induced by single and double laser irradiation, (2020)
  • Author(s): Nguyen Truong Gia Tri, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Organizer: 第58回燃焼シンポジウム
• [Presentation] アンモニア予混合火炎の伝播管内における燃焼振動の観察 (2020)
  • Author(s): 角川 新, 橋本 望, 藤田 修
  • Organizer: 第58回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 音響学的振動にさらされた管内下方伝播予混合火炎の二次不安定性発生時に現れるセル構造の観察 (2020)
  • Author(s): 金森 拓,橋本 望, 藤田 修
  • Organizer: 第58回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Thermoacoustic Instability of Downward Propagating Flames in a Small Diameter Tube (2019)
  • Author(s): Ajit Kumar Dubey, Yoichiro Koyama, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Organizer: The Second Pacific Rim Thermal Engineering Conference (PRTEC-2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Study on Secondary Acoustic Instability in Downward-Propagating Flames in a Tube (2019)
  • Author(s): Juwon Park, Sung Hwan Yoon, Heejae Kim, Jae-Hyuk Choi, Kang-Woo Chun, Osamu Fujita,
  • Organizer: 12th Asia-Pacific Conference on Combustion (ASPACC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Le on Transition to Parametric Instability in Downward Propagating Flames (2019)
  • Author(s): Ajit Kumar Dubey, Yoichiro Koyama, Sung Hwan Yoon, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Organizer: 12th Asia-Pacific Conference on Combustion (ASPACC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental Comparison on Transition Criteria to Parametric Instability of a Downward-propagating Flame in a Tube Induced by Single Laser Irradiation and Double Laser Irradiation (2019)
  • Author(s): Nguyen Truong Gia Tri, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Organizer: 12th Asia-Pacific Conference on Combustion (ASPACC2019)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of Boundary Conditions on Thermo-Acoustic Instability of Flames Propagating in Tubes (2019)
  • Author(s): Ajit Dubey,Osamu Fujita,Yoichiro Koyama,Nozomu Hashimoto
  • Organizer: 27th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems (27th ICDERS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Critical diameter for thermo-acoustic stability of downward propagating flames in tubes (2019)
  • Author(s): Ajit Dubey,Yoichiro Koyama,Nozomu Hashimoto,Osamu Fujita
  • Organizer: 第57回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Effect of Boundary Conditions on Thermo-Acoustic Instability of Flames Propagating in Tubes (2019)
  • Author(s): Ajit Dubey,Osamu Fujita,Yoichiro Koyama,Nozomu Hashimoto
  • Organizer: 27th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Experimental observation of parametric instability of downward propagating flame in combustion tube under higher acoustic vibration mode (2018)
  • Author(s): Yoichiro Koyama, Ajit Kumar Dubey, Nozomu Hashimoto, Osamu Fujita
  • Organizer: 37th International Symposium on Combustion, Work-in-progress
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Effect of external acoustic wave on thermo-acoustic instability of downward propagating flame (2018)
  • Author(s): Tri Truong Gia Nguyen，Nozomu Hashimoto，Osamu Fujita
  • Organizer: 第56回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Le effect on primary acoustic instability of downward propagating flame in a tube with external laser irradiation method (2018)
  • Author(s): Yongho Chung，Nozomu Hashimoto，Osamu Fujita
  • Organizer: 第56回燃焼シンポジウム
• [Presentation] Higher Mode Parametric instability of downward propagating flames in tubes (2018)
  • Author(s): Ajit Kumar Dubey，Yoichiro Koyama，Nozomu Hashimoto，Osamu Fujita
  • Organizer: 第56回燃焼シンポジウム
• [Presentation] 管内下方伝播火炎における高次音響モードに対する パラメトリック不安定性の実験的観察 (2018)
  • Author(s): 小山 陽一郎, Ajit Kumar Dubey, 橋本 望, 藤田 修
  • Organizer: 日本機械学会年次大会2018年度年次大会
• [Remarks] Acoustic Instability
  • URL: http://lsu-eng-hokudai.main.jp/project/
• [Remarks] Acoustic Instability
  • URL: https://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/lsu/project/acoustic-instability/
• [Remarks] Acoustic Instability
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/lsu/project/acoustic-instability/