| 研究課題/領域番号 |
22K03989
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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20010:機械力学およびメカトロニクス関連
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| 研究機関 | 早稲田大学 |
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研究代表者 |
上道 茜 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(テニュアトラック) (10734155)
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| 研究分担者 |
山崎 由大 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (60376514)
金子 成彦 早稲田大学, 理工学術院, 教授(任期付) (70143378)
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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 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 燃焼振動 / 水素混焼 / 音響ネットワークモデル / 音響インピーダンス / 発振周波数 / 共鳴周波数 / 卓越モード / 流体関連振動 / 音響的境界条件 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
カーボンニュートラルと安定的な電力供給の両立のために，火力発電用ガスタービンでは，従来燃料の一部を水素に置き換えた水素混合燃料の利用が始まっている．しかしながら，水素混焼の場合に発生する燃焼振動現象は，非常に複雑であるため解明できていない点も多い．本研究では，音響ネットワークモデルを用いて，燃焼器を含む配管要素間の音響的境界条件に着目し，燃焼振動現象を本質的に理解するための手法の確立に取り組む．
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| 研究実績の概要 |
本研究グループでは，燃焼振動実験を行い，水素都市ガス混合燃料を用いた場合，200 Hzおよび400 Hz付近での燃焼振動が発生することを発見した．本研究では「水素混合燃料による燃焼が音響的境界条件に影響をもたらしたのではないか？」という仮説に基づき，音響ネットワークモデルを用いて燃焼振動現象を理解することができる手法の確立に取り組む．ここでは，音響的境界条件として音響インピーダンスを取り上げ，燃焼「振動」をどのように捉えるかを説明するために音響インピーダンスに関連の深い燃焼による温度変化を重視している．
1. エネルギー法による発振周波数の判別：これまでに音響ネットワークモデルを用いた解析から共鳴周波数（発振周波数の候補）を複数求める手法を開発した．エネルギー法を用いて一周期あたりの振動の成長と減衰を算出し，この差が正となるときに発振すると考えるものとした．本年度は，n-tauモデルを用いて成長率を算出した．また，Rijke管による2音源法実験を実施し，温度分布が音響的境界条件に与える影響を調査し，音響インピーダンスのデータを取得した．このモデル化は次年度以降に実施する．
2. 火炎面幾何形状と位置のモデリング：燃焼振動における卓越モードを特定するため，火炎面のモデリングを行う．本年度は，乱流火炎のモデリングに関する文献調査を行った．また，音響ネットワークモデルにおいて圧力・速度モードの形状を描くプログラムの作成を行った．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
エネルギー法による発振周波数の判別について，音響インピーダンスのデータを取得するに至ったが，データの処理に苦心しており，モデル化が未完である．また，卓越モードの決定に寄与する因子を探るため，模擬ガスタービン燃焼器内での「燃焼重心」をCFDシミュレーションにより検討することとしていたが，詳細化学反応モデルなど種々の計算条件決定が遅れたことに加え，シミュレーション自体に時間を要している．
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| 今後の研究の推進方策 |
1. エネルギー法による発振周波数の判別：音響（振動）エネルギーの減衰について，2022年度の成果であるRijke管による2音源法から得られた音響インピーダンスのデータからモデル化する．また，熱損失の影響についてもCFDシミュレーションから見積もる．
2. 火炎面幾何形状と位置のモデリング，圧力・速度モードとの関係の検討：2022年度に引き続き，CFDシミュレーションから卓越モードの特定に寄与する「燃焼重心」の特定方法を探索する．また，得られた燃焼重心位置を配管内の圧力・速度モード形状を重ねることで，「速度モードの腹から節（圧力モードの節から腹）にかけての位置に加熱源があると発振する」という従来からの学説との比較をする．
3. Rijke管を用いた卓越モード推定モデル実験：計算で求めた火炎面形状と圧力波モード形状の関係を実験的に明らかにするため，電熱ヒータを円錐状に成形し，Rijke管によるモデル実験を行う．
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