| 研究課題/領域番号 |
23K22679
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01408 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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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 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
藤田 修 北海道大学, 工学研究院, 教授 (10183930)
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| 研究分担者 |
橋本 望 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70392751)
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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 |
17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)
2024年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
2022年度: 9,230千円 (直接経費: 7,100千円、間接経費: 2,130千円)
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| キーワード | 燃焼振動 / 予混合火炎 / Parametric Instability / アンモニア / ガスタービン / アンモニア燃焼 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では、近年のカーボンフリーへの強い社会的要請を背景として、ガスタービン燃焼器へNH3を導入した際の燃焼振動現象の基礎過程解明に取り組む。具体的手法として、内径50mm程度の直管内に封入したNH3と空気の予混合気の火炎伝播現象を観察し、そこで生じる音響振動の増幅過程や音響振動と火炎構造の相互関係を明らかにする。その際、火炎に生じる熱音響振動現象の基本的機構である圧力カップリングと速度カップリングがそれぞれどの程度生じているかを明らかにしたうえで、NH3を燃料としたときの燃焼振動の発生限界条件の定量的な予測を試みる。さらに、その発現条件の炭化水素燃料との違いを明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
NH3平面火炎の圧力変動に対する伝播速度および燃焼発光強度の応答の実験的検討：NH3を燃料とする実験システムを構築した。燃料をNH3へ転換するために装置全体に腐食対策を施し継続的な実験を可能とした。また、本年度は高速度カメラを新規に導入し、従来の全体像撮影に加えて火炎伝播面に現れる詳細な火炎構造の時々刻々の変化を側面および正面（合計３方向）から同時に高速度撮影可能にした。火炎正面からの撮影に関しては、NH3火炎に特有の活性化学種（NH2）およびOHラジカル発光現象を限定された条件ではあるが同時取得を実現した。次に、本実験システム用いてNH3火炎の燃焼振動発現の限界条件を取得した。これらの実験から、NH3を燃料とした場合の二次不安定発生時に現れる規則的セル構造を克明に撮影することに成功した他、不安定性が発現する燃焼速度はNH3の方がCH4より小さくなることがわかった。火炎面のセル構造についてはその波数や発光強度の時間変化を求めることができた。
火炎の初期変形がNH3火炎の不安定性発現に及ぼす影響：不安定現象の発現には、火炎の初期形状が影響することを踏まえ、着火直後に形成される火炎の変形がその後の不安定性発現におよぼす影響を検討した。特に特定の条件で不安定性発現の有無がばらつくことが見出され、初期変形の違いとの関連性について検討を開始した。
化学反応解析による化学種濃度分布と燃焼振動の関連性考察：近年開発が進んでいるNH3の反応機構を取り込んだ平面火炎の詳細構造を数値解析により取得した。また、実験で得られる平面火炎の伝播速度と計算による燃焼速度の比較を行い、燃料希薄条件で若干の違いはあるもののその両者が良く一致するという結果を得た。
NH3火炎の燃焼振動発現機構に関する理論検討：既存理論に基づく不安定ダイアグラムを求め、実験で取得したセル構造の波数や不安定限界との比較を行った。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
NH3を燃料とした際の燃焼振動現象の実験的観察に関しては極めて順調に進展している。実験システムの構築やデータの取得についてはほぼ計画どおりに実施できており、得られた成果については国内の燃焼関連学会で発表したほか、2023年度に開催される国際会議でも発表予定となっている。また、NH3を燃料として撮影した映像は、日本燃焼学会「美しい炎」の写真展において最優秀作品賞を受賞し、2023年の1年間、日本燃焼学会誌に継続して掲載されることが決まっている。これらの成果を取りまとめて有力な国際ジャーナルへの公表までを視野に入れていたがこの点が実現しておらず、本年は“おおむね順調に推移している”の評価区分とする。初期変形形状と不安定性の関連、反応機構と燃焼振動の関連、理論的研究についても順調に進展しており、次年度研究を継続することで国内外での会議で成果を公表できると考えている。特に理論的検討においてはNH3を燃料とした際の不安定ダイアグラムを導出することができており、実験映像から取得できる定量データとの比較を行うことで、さらなる研究の進展が期待できる状況である。
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| 今後の研究の推進方策 |
NH3平面火炎の圧力変動に対する伝播速度および燃焼発光強度の応答の実験的検討：NH3を燃料とする実験システムを用いて、火炎伝播面に現れる詳細な火炎構造の時々刻々の変化を圧力変動と対応させた観察を継続する。これまで希薄および過濃条件のデータを取得できているが、設定した当量比あるいは燃焼速度の条件数が限定的であったため今後条件数を追加して実験を行う。その上で、ルイス数やマークシュタイン数などの特性値と遷移の限界条件の関連性を実験的な立場から検討する。さらにNH3火炎と炭化水素火炎の違いを議論するために、当量比等を対応させた条件を設定したうえで数種類の炭化水素（CH4, C3H8等）でも同様の実験を行う。これらの実験映像から燃焼不安定発現時の火炎セル構造の波数や発光強度に基づくRayleigh Indexの算出などを行う。
火炎の初期変形がNH3火炎の不安定性発現に及ぼす影響：不安定現象の発現には、火炎の初期形状が影響することを踏まえ、火炎の初期変形が不安定性発現におよぼす影響を引き続き検討する。とくにNH3火炎と炭化水素火炎の比較に重点を置いて、初期変形による圧力変動の増幅率への影響を検討する。
化学反応解析による化学種濃度分布と燃焼振動の関連性考察：反応解析による平面火炎の詳細構造を特定したうえで、発熱変動に対する実効的な圧力依存性(反応次数)の検討を継続する。これにより、不安定性発現に及ぼす圧力Couplingの重要性を議論する。
NH3火炎の燃焼振動発現機構に関する理論検討：炭化水素火炎と比較しながら、NH3火炎の１次不安定および２次不安定発現に関する理論検討を継続する。特に既存の理論から導出した不安定ダイアグラムと実験で取得した定量データの比較から、既存理論のNH3火炎への適合性の議論を行う。
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