| 研究課題/領域番号 |
21K03893
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
西岡 牧人 筑波大学, システム情報系, 教授 (70208148)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2021年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
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| キーワード | 旋回流 / 対向噴流拡散火炎 / 超希釈燃焼 / 三重火炎 / 水素火炎 / 旋回空気流 / 環状空気流 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は対向噴流拡散火炎を用いて二酸化炭素希釈メタンの超希釈燃焼の実現を目指し，また詳細反応数値計算を用いてその燃焼メカニズムの解明を目指すものである．燃焼方式としては，空気の旋回流中に噴射管から燃料を対向して噴射する旋回空気対向噴流方式，および非旋回環状空気流の中心の固体円柱に向かって噴射管から燃料を噴射する環状空気対向噴流方式の二つを用いる．
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| 研究実績の概要 |
前年度製作した旋回対向噴流拡散燃焼バーナを用いて、二酸化炭素希釈メタンを燃料とした三重火炎の実験を行った。三重火炎は希薄予混合火炎、拡散火炎、過濃予混合火炎によって構成されるものである。また、実験に対応した軸対称二次元の詳細反応数値計算も実施した。その結果、実験では安定で定常な三重火炎の形成に成功し、一般的な希釈可燃限界と見なされている火炎伝播限界と同じ希釈率における希釈燃焼を実現することができた。これは、前年度対象とした拡散火炎に比べて局所消炎が起きにくいことが理由である。一方数値計算においては、実験とほぼ同じ構造の三重の火炎を形成することに成功し、それぞれの火炎におけるOH, O, Hラジカル濃度を違いを調べることができた。なおラジカル濃度は２つの予混合火炎において高く、拡散火炎ではかなり低いことが明らかになった。
また二酸化炭素希釈メタン三重火炎と並行して、水素空気の旋回対向噴流拡散火炎の実験と数値計算も実施し、NOx排出特性を調べた。その結果、全体当量比が低いほど、またスワール数が高いほどNOx排出が低いことが明らかになった。また数値計算結果から、この燃焼方式では火炎面温度がかなり低下し、それによってNOxが低下することが分かった。なお、比較対象として実施した同軸流の水素空気拡散火炎でのNOx排出も調べたところ、その排出量も低いという結果が得られ、旋回対向噴流拡散火炎の優位性が確認できていない。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
希釈メタン空気火炎の場合、拡散火炎から三重火炎に変更したことが一番の原因である。なお前年度に対象とした拡散火炎よりは局所消炎しにくいことが明らかになったことは大きな収穫であったが、現時点で実現されているのはギリギリ希釈可燃限界であり、もう一段の装置改良による超希釈燃焼の実現が必要である。まだその改良は実現できていない。一方水素火炎についても、当初の対象にはされておらず、新たに対象に加えたことが遅れた一番の原因である。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に引き続き、二酸化炭素希釈メタンを燃料とした旋回対向噴流三重火炎の希釈燃焼実験、および水素を燃料とした旋回対向噴流拡散火炎の実験を実施する。前者については、実験装置の噴射管固定方法の改良、およびガラス製燃焼容器の内径や広がり角度を変えた実験を実施する。一方、後者については旋回流発生装置を追加製作し、よりスワール数が高い実験を実施する。また数値計算において同軸流火炎のNOx排出特性が旋回対向噴流火炎と同等である原因を解明する。その際、バーナの金属表面における境界条件や水素の拡散モデルの妥当性を検証する。
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