| 研究概要 |
燃焼器内の流れは一般に乱流であり,操作しやすく,安全性が高いことから拡散火炎が多用される.本研究の目的は,「逆こう配拡散」という特異な乱流輸送形態に着目して,乱流拡散火炎の性質を理解し,最終的には制御する方策を探ることである.逆こう配拡散とは,乱流が,熱や物質といったスカラの輸送を抑制するという直感に反する現象を指す.まず,曲り流路内に乱流拡散火炎を形成して燃焼場に強い圧力こう配を作用させると,熱輸送に逆こう配拡散が発現すること,発現機構の本質が圧力こう配の存在によって高温(低密度)の流体塊の運動が選択的に抑制される現象にあること,を明らかにした.次いで,逆こう配拡散が発現する場におけるレイノルズ応力,乱流熱流束など重要な乱流諸量の挙動を,乱流構造解析で実績のある各種統計的手法を適用して調べ,逆こう配拡散が発現するメカニズムの詳細を明らかにした.以上の成果に基づいて,熱輸送の逆こう配拡散が,燃料の燃焼過程にどのような影響を及ぼすのかに着目して,未燃炭化水素の排出特性を調べた.実験では,燃焼ガスをガスクロマトグラフにより分析し,主要ガス成分の時間平均濃度の空間分布を測定した.その結果,逆こう配拡散の発現領域では,燃料の一部は燃えることなくそこに蓄積され,未燃炭化水素として排出されることが明らかとなった.すなわち,圧力こう配が作用する燃焼場においては,通常の乱流場に見られる熱輸送と物質輸送の高い相似性が崩れていると考えられる.相似性が崩れると,燃料濃度の高い領域が,燃焼の維持に必要な高温領域から遊離して,未燃物質の発生が助長される.以上から,本研究で得られた知見は,燃焼効率の向上,熱損失および未燃物質の排出量の低減といった具体的な問題に対して,合理的で普遍性の高い対処法を見いだすための基礎となることが期待できる.
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