高速間欠燃焼場における燃料塊と乱流の相互スケールに関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650188
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 近久 武美 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (00155300)
• 研究分担者: 菊田 和重 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (90214741) ; 望月 修 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (50157830)
• キーワード: 拡散 / 乱流 / 燃焼 / スケール / 噴霧 / エントロピー / 混合 / 空気導入

研究概要

日本の基盤産業の一つである自動車技術を支える基礎研究として、燃焼場における燃料塊と周囲空気との拡散制御を目的とし、特に拡散状態の定量解析法の開発ならびに燃料塊と乱流とのスケールに着目した相互関係の解明に向けた研究を行った。
まず、拡散混合過程における燃料塊の不均一性を定量的に表現する手法として、エントロピー法の提案を行った。本手法によると従来の二次元空間フーリエ変換やPDF法と比べて均一性の程度を単一のスカラー量で表現可能となり、均一性の比較や評価を簡単に行うことができた。また、エントロピーの時間変化を解析することにより、等価的な拡散係数を求められること、スケール対応度がピークを示す解析対象ウィンドウサイズから不均一流体塊のスケールを特定できることが示された。これまで、拡散混合過程を研究する上で、均一化の程度を定量的に求める有効な手段はほとんどなく、本手法はこうした研究に有用な新たな定量解析法を提示したものと考える。
次に、本手法を用いて非定常噴流およびディーゼル噴霧中の拡散混合現象のミクロ構造解析を行った。その結果、噴流の上流では渦度が強く、下流にいくにしたがい渦度は弱く間隔もまばらとなっていたが、拡散速度はこの渦分布と対応しており、上流では小さな構造で強い拡散が、また下流にいくにしたがって拡散強度は減少するほか、相対的に大きな構造の拡散が優勢となっていることが確認できた。また、流体塊内部には階層的な不均一構造が認められ、下流にいくにつれて小さなスケールのものから順に不鮮明となり、大きな不鮮明な流体塊となっていく様子が、エントロピー法により示された。この他、噴流軸方向上で、拡散の特に弱い領域が間欠的に存在することが確認された。
以上、本年度の研究により、拡散混合過程の定量解析法の開発と、非定常噴霧中の基本的特性を一部明らかにすることができた。

研究成果

• [文献書誌] H.Ushida, T.Chikahisa, and Y.Hishinuma: "Quick Mixing Condition with Spray-Jet Interaction for Effective Soot Reduction in Diesel Combustion Process"Proc.of FISITA World Automotive Congress. CD-ROM A099. 1-7 (2000)
• [文献書誌] 湯山亮,近久武美,菱沼孝夫: "噴霧内の拡散現象のミクロ構造と空気導入"第16回内燃機関シンポジウム. 235-240 (2000)
• [文献書誌] 金子友海,近久武美,菱沼孝夫: "化学反応を伴う非定常噴流内の拡散・反応構造の可視化観察"日本機械学会北海道支部第40回講演会. 182-183 (2000)
• [文献書誌] 田中賢一,牛田博久,近久武美,菱沼孝夫: "噴流衝突を受ける噴霧火炎挙動に関する研究"日本機械学会北海道支部第40回講演会. 184-185 (2000)
• [文献書誌] 湯山亮,村中栄樹,近久武美,菱沼孝夫: "燃料蒸気塊の拡散現象に支配的な渦関連物理量に関する研究"日本機械学会年次大会講演会. 00-1(IV). 307-308 (2000)
• [文献書誌] 川上佳,金子友海,近久武美,菱沼孝夫: "酸塩基中和反応を用いた議事噴流拡散燃焼現象の可視化観察実験"可視化情報. 20-Suppl.2. 21-22 (2000)