| 研究課題/領域番号 |
22H00192
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| 研究種目 |
基盤研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
黒瀬 良一 京都大学, 工学研究科, 教授 (70371622)
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| 研究分担者 |
PILLAI ABHISHEKLAKSHMAN 京都大学, 工学研究科, 助教 (90887332)
庄司 烈 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究開発員 (20833172)
立花 繁 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 上席研究開発員 (50358496)
横森 剛 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 教授 (90453539)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
43,030千円 (直接経費: 33,100千円、間接経費: 9,930千円)
2024年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2023年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
2022年度: 20,930千円 (直接経費: 16,100千円、間接経費: 4,830千円)
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| キーワード | 不安定燃焼 / 水素 / AI検知 / 計測 / 数値シミュレーション / 機械学習 / 水素燃焼 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年，化石エネルギーからカーボンフリーエネルギーへの大転換が避けられない喫緊の課題となっている．水素は，その燃焼過程において二酸化炭素を全く排出しない究極のカーボンフリー燃料として，様々な燃焼装置への利用が期待されている．しかし，水素の希薄燃焼は，装置損傷の原因となる不安定燃焼を引き起こすリスクがある．そこで，本研究では，不安定燃焼として特に問題視されている燃焼振動とフラッシュバックに着目し，精巧な実験と高精度の数値解析により，これらの発生メカニズムと詳細特性を明らかにする．また，不安定燃焼の事前察知・抑制を目指し，不安定燃焼が発生する予兆の検知をAIとの連携により実現する技術を構築する．
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| 研究実績の概要 |
【実験】(Ⅰ)単缶燃焼器：2022年度に構築したフラッシュバック観測用燃焼器を使用して，バルク流速15m/s，当量比約0.63の水素-空気希薄予混合火炎に対して，フラッシュバック発生前後における燃焼器内変動圧，OH*自発光画像，流速場（PIV）の高時間分解能同時計測を実施した．その結果，弱旋回燃焼器においては，燃焼器中心軸周辺付近の軸方向流速が比較的低速な領域を選びながらフラッシュバックが進行することを実験的に初めて確認した．(Ⅱ)アニュラ燃焼器：2022年度より広い試験条件において，圧力変動計測を実施した．その結果，周波数約1300Hz，片側振幅約15～20Paの周方向モード圧力変動が，現時点で得られる最大の圧力変動であることがわかった．そこで，より強い圧力変動を実現するために，燃焼器の設計変更を行った．また，燃焼器外壁にラウドスピーカーを設置し，強制振動を発生できるようにした．予備試験の結果，周波数約900～1200Hzにおいて，最大片側振幅約700Paの1次周方向モード及び最大片側振幅約400Paの2次周方向モードの圧力変動（2022年度の約20倍）を確認した．
【数値計算】実験と同じ条件で単缶燃焼器およびアニュラ燃焼器内乱流燃焼場のLESを実施した．この結果，単缶燃焼器内のLESにおいて，当量比がフラッシュバック速度に及ぼす影響を再現することに成功した．また，火炎面の曲率分布や火炎表面積の時間変化を明らかにした．一方，アニュラ燃焼器内のLESでは，実験と同様に圧力変動が弱く，この条件下では燃焼振動を発生させることができないことを確認した．そこで，強制振動を与えた燃焼器内の音響計算を行うことによって，その音響モードを明らかにした．さらに，単缶燃焼器内で起こるフラッシュバックおよび燃焼振動の機械学習（サポートベクトルマシーンを用いた手法）による検知の可能性を見出した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
単缶燃焼器内のフラッシュバック，およびアニュラ燃焼器内の燃焼振動の調査に関して，実験，計算ともに予定通り順調に進んでいる．特に，フラッシュバックについては，世界初の成果も出てきている．一方で，アニュラ燃焼器の燃焼振動が想定よりも弱いという問題が発生している．これについては，様々な方策を検討中であり，2024年度の早々には解決される予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
【実験】(Ⅰ)単缶燃焼器：バルク流速10～25m/sの流速範囲におけるフラッシュバックの高時間分解能光学計測を継続し，フラッシュバックの発生メカニズムをより詳細に調べる．そのために，フラッシュバックの観測を行う石英管部でのレーザー光の反射を低減する措置を講じることで，より広い視野において流速分布と火炎挙動を取得する．(Ⅱ) アニュラ燃焼器：2023年度に修正した装置を用いて，バルク流速4～8m/s程度，当量比0.25～0.5程度，燃焼器内壁高さ150~450mm（内壁外径140mm），外壁高さ150~450mm（外壁内径250mm）の広い試験条件において燃焼試験を実施し，強い圧力変動が発生する条件を調べる．強い圧力変動が発生する条件に対して①燃焼器内変動圧，②OH*自発光画像，③流速場，④燃焼器外側の音圧レベルの高時間分解能同時計測を行う．また、ラウドスピーカーを用いた強制振動試験を行い，異なる周波数や燃焼振動モードにおける圧力変動や火炎挙動の特性の違いを調査する．
【数値解析】単缶燃焼器内のフラッシュバックのLESについては，燃焼振動とフラッシュバックの関連性をより詳しく調べる．また，アニュラ燃焼器内の燃焼振動については，実験で強い自励振動を発生させることができればその条件下でLESを実施し，LESの有効性を調べるとともに，燃焼振動メカニズムの詳しい調査を行う．また，強制振動を与えた場合の燃焼振動のLESも実施し，自励振動燃焼メカニズムとの違いを明らかにする．
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