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Clarification of Cool Flame Dynamics by Deep Learning as Dimensionality Reduction Technique

Research Project

Project/Area Number 21K14347
Research Category

Grant-in-Aid for Early-Career Scientists

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
Research InstitutionNihon University

Principal Investigator

齊藤 允教  日本大学, 理工学部, 准教授 (20801020)

Project Period (FY) 2021-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
Fiscal Year 2022: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
Keywords冷炎ダイナミクス / 冷炎振動 / 複数液滴燃料 / 数値シミュレーション / 深層学習 / 低次元化解析 / 複数燃料液滴 / 微小重力実験 / 冷炎 / 液滴燃焼 / 低次元化 / 微小重力燃焼
Outline of Research at the Start

次世代の航空・宇宙輸送に必要な軽量かつ高出力なエンジン開発に貢献する異常燃焼の予測を目指し,異常燃焼の発生に影響を与えていると考えられている冷炎と呼ばれる炎を対象として,いつ,どこで,どのように生じるかといった一連の挙動のモデル化を図る.実用燃焼器内部は様々な雰囲気温度や液滴間隔が空間的に分布し,それに伴い蒸発する燃料蒸気の量や化学種の濃度などが連動して変化するため,冷炎の挙動を予測することは一般的に困難だが,本研究では数値計算により得られる雰囲気温度や液滴間隔が異なるデータに対して深層学習を適用することで,冷炎の挙動を支配している主要な状態変数を特定し,冷炎の予測を容易にすることを目指す.

Outline of Annual Research Achievements

炭化水素系燃料,特に長鎖アルカンで生じる冷炎を対象とし,数値シミュレーション,落下塔・観測ロケットを用いた微小重力実験,および機械学習による低次元化手法により,冷炎ダイナミクスのモデル化を行う.2022年度までに,深層学習による分析手法の開発は先行してほぼ終了しているため,2023年度は,開発が完了している数値シミュレーションモデルの検定用基準データの取得,および新たに冷炎振動の力学モデルの構築を行った.
基準データの取得には,観測ロケットを使用した冷炎の自発点火限界近傍での実験と落下塔を使用した実験を実施した.観測ロケットを用いた実験では,雰囲気温度570 Kの基準データの取得に成功し,現在解析を進めている.
落下塔を使用した実験では,雰囲気温度を600 K以上に設定した実験を実施している.この温度は,数値シミュレーションにより冷炎の振動が確認された温度である.2023年度は,実験装置の開発が完了し,落下実験を開始した.一方で,落下時間内に冷炎が生じている様子がまだ観測出来ていないため,2024年度に雰囲気温度の再設定を実施し,基準データの取得を図る.
力学モデルの検討では,単純な数理モデルにより,単一および二液滴の燃料を想定した系での冷炎振動の挙動を計算で調査した.その結果,化学反応速度と反応によって生成した熱の輸送速度の比で定義されたダムケラー数,および化学種と熱の輸送速度の比で定義されたルイス数によって振動のパターン(振動無し,減衰振動,リミットサイクル,過減衰)が分類できることが明らかとなった.また,二液滴においては,液滴間の間隔によっても振動が変化する可能性が計算により示唆された.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

ロケット実験が遅延した影響により,全体の計画がやや遅れている.一方で,数値シミュレーションと深層学習による分析を先行して実施することで,研究期間全体での計画遅れを最小限にする工夫で対処している.また,落下塔によるデータ取得もコロナウイルスによる活動制限が影響して遅れているが,装置の開発が2023年度に完了したため,研究期間を通じた目標達成までの計画には大きな遅延は無いと考えている.

Strategy for Future Research Activity

2022年度までに深層学習による分析を達成したため,次年度は主にロケット実験および落下塔で得られたデータの解析,数値シミュレーションとの比較による検定を実施していく.現在まで,数値シミュレーションの反応モデル検定に必要なデータが得られているものの,数値シミュレーションで確認されている冷炎振動が実験で観測出来ていない.数値シミュレーションにより,現在使用している反応モデルでは,冷炎振動はおよそ600 K前後で生じることが分かっているため,この温度域のデータを落下塔で重点的に取得していく.また,今年度単純な数理モデルの構築により新たに明らかとなった,ルイス数による振動挙動の違いも併せて調査を実施していく.ルイス数を変化させる手法としては,雰囲気のバランスガスの種類を変更することを計画している.
また,次年度は学会発表や論文により成果の公表を順次実施していく.

Report

(3 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (16 results)

All 2023 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results)

  • [Journal Article] Comparative Analysis of Cool Flame Oscillation Occurred Around a Single Fuel Droplet and a Droplet Pair Using a Phase Space2023

    • Author(s)
      Kazuki IEMURA, Yusei TAKAHATA, Rintaro SAITO, Masanori SAITO, Mitsuaki TANABE
    • Journal Title

      International journal of microgravity science and application

      Volume: 40 Issue: 4 Pages: 400401

    • DOI

      10.15011/jasma.40.400401

    • ISSN
      2188-9783
    • Year and Date
      2023-10-31
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Combustion Research and Analysis Method for Contribution on the Engines of Next Generation Airplanes and Rockets2023

    • Author(s)
      SAITO Masanori
    • Journal Title

      Journal of the Japan Society for Precision Engineering

      Volume: 89 Issue: 4 Pages: 304-308

    • DOI

      10.2493/jjspe.89.304

    • ISSN
      0912-0289, 1882-675X
    • Year and Date
      2023-04-05
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Study on Nonlinear Dynamics Using the State Space of Combustion Oscillation in a Rocket Combustor2023

    • Author(s)
      ARAI Fumiya、IEMURA Kazuki、SAITO Masanori、TANABE Mitsuaki
    • Journal Title

      TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES

      Volume: 66 Issue: 5 Pages: 156-163

    • DOI

      10.2322/tjsass.66.156

    • ISSN
      0549-3811, 2189-4205
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 複数燃料液滴に生じる冷炎のダイナミクス2023

    • Author(s)
      齊藤 允教,家村 和輝,田辺 光昭
    • Journal Title

      日本燃焼学会誌

      Volume: 65 Pages: 57-63

    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Journal Article] Study on spatial-temporal dynamics of cool flame oscillation phenomenon occurred around a fuel droplet array by using variational auto-encoder2022

    • Author(s)
      Kazuki Iemura, Masanori Saito, Yusuke Suganuma, Masao Kikuchi, Yuko Inatomi, Hiroshi Nomura, Mitsuaki Tanabe
    • Journal Title

      Proc. Combust. Inst.

      Volume: 39 Issue: 2 Pages: 1-10

    • DOI

      10.1016/j.proci.2022.09.047

    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 二液滴の力学系モデルにおける無次元数が冷炎振動に及ぼす影響2023

    • Author(s)
      家村和輝, 齋藤麟太郎, 高畑優星, 齊藤允教, 田辺光昭
    • Organizer
      日本マイクログラビティ応用学会 第35回学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 拡散による干渉現象が複数燃料液滴で発生する冷炎振動に及ぼす影響2023

    • Author(s)
      家村 和輝, 髙畑 優星, 齋藤 麟太郎, 齊藤 允教, 田辺 光昭
    • Organizer
      第61回燃焼シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 深層学習による直交モード空間の低次元化を用いたロケット燃焼器内の振動燃焼場の分析2023

    • Author(s)
      武士 憧哉, 福田 光, 新井 史也, 家村 和輝, 齊藤 允教, 田辺 光昭
    • Organizer
      第61回燃焼シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Influence of Difference in Ambient Temperature and Inter-Droplet Distance on Cool Flame Spread Behavior of Fuel Droplet Array2022

    • Author(s)
      Hideaki Ikezawa, Masanori Saito, Yusuke Suganuma, Mitsuaki Tanabe and Hiroshi Nomura
    • Organizer
      44th COSPER
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Analysis of spatial-temporal dynamics of cool flame oscillation phenomenon occurred around a fuel droplet array by using variational auto-encoder2022

    • Author(s)
      Kazuki Iemura, Masanori Saito, Yusuke Suganuma, Masao Kikuchi, Yuko Inatomi, Hiroshi Nomura, Mitsuaki Tanabe
    • Organizer
      39th International Symposium on Combustion
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 燃料二液滴で生じる冷炎振動に関する位相空間を用いた研究2022

    • Author(s)
      家村和輝,齋藤麟太郎,高畑優星,齊藤允教,田辺光昭
    • Organizer
      JASMAC-34
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 微小重力環境を用いた複数液滴の冷炎ダイナミクスの解明 -PHOENIX2 プロジェクト進捗報告-2022

    • Author(s)
      菅沼祐介,齊藤允教,菊池政雄,稲富裕光,三上真人,森上修,野村浩司,田辺光昭
    • Organizer
      JASMAC-34
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 燃料二液滴で生じる冷炎振動に関する研究2022

    • Author(s)
      家村和輝,齋藤麟太郎,髙畑優星,齊藤允教,田辺光昭
    • Organizer
      第60回燃焼シンポジウム
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Study on spatial-temporal dynamics of cool flame oscillation phenomenon occurred around a fuel droplet array by using variational auto-encoder2022

    • Author(s)
      Kazuki Iemura, Masanori Saito, Yusuke Suganuma, Masao Kikuchi, Yuko Inatomi, Hiroshi Nomura, Mitsuaki Tanabe
    • Organizer
      39th International Symposium on Combustion
    • Related Report
      2021 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 数値計算で模擬された燃料液滴列で生じる冷炎のダイナミクスに対する変分自己符号化器の適用可能性2021

    • Author(s)
      家村 和輝,新井 史也,齊藤 允教,田辺 光昭
    • Organizer
      JASMAC-33
    • Related Report
      2021 Research-status Report
  • [Presentation] 燃料液滴列に生じる冷炎の振動現象と液滴間干渉効果に関する変分自己符号化器を用いた調査2021

    • Author(s)
      家村 和輝,新井 史也,齊藤 允教,田辺 光昭
    • Organizer
      第59回燃焼シンポジウム
    • Related Report
      2021 Research-status Report

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Published: 2021-04-28   Modified: 2024-12-25  

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