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2013 年度 実績報告書

多次元多変量レーザ計測による乱流予混合火炎の構造解明とモデル化

研究課題

研究課題/領域番号 13J08425
研究機関東京工業大学

研究代表者

城地 文音  東京工業大学, 大学院理工学研究科(工学系), 特別研究員(DC1)

キーワード乱流燃焼 / レーザ計測 / 予混合火炎 / 複合計測 / 熱工学 / 流体工学 / エネルギー効率化 / 乱流モデル
研究概要

本研究では, 複数化学種濃度と流体速度の時系列レーザ計測法により構築された世界最先端の多次元多変量レーザ計測法を, 実用燃焼器を模擬した各種燃焼器に適用し, 高圧・高レイノルズ数乱流予混合火炎の構造を解明するとともに, 得られた知見に基づいて種々の燃焼場に適用可能なLarge Eddy Simulation (LES)のためのSGS燃焼モデルを構築・検証することを目的としている.
平成25年度はこれまでに開発した, 二次元平面内において局所火炎構造と乱流特性の動的特性の検討が可能な多次元多変量レーザ計測法を乱流噴流予混合火炎に適用し, 高レイノルズ数条件下における乱流予混合火炎の局所構造及びその動的特性について検討を行った. 火炎構造と乱流運動が含む組織性を明らかにするため固有直交分解解析を行い, 高速噴流火炎では微細な予混合気塊形成とその高速消費が支配的となる条件が存在することを明らかにした. また計測された微細予混合気塊の大きさ及びその消費速度に対して統計的解析を行った結果, 乱流噴流予混合火炎の火炎先端部においては未燃予混合気塊の消費速度は層流燃焼速度の約3倍の値をとることを示し, このような現象が乱流燃焼速度の上昇に寄与していることを明らかにした. また上記の現象は, CHラジカルを対象とした平面レーザ誘起蛍光法(PLIFIによってのみ観察できる場合が多数あることから, 高レイノルズ数乱流中において乱流予混合火炎の検出を行う場合のCH PLIFの重要性及び, 開発した同時計測法の有効性を明らかにした.
実用燃焼場で用いられる, 液体燃料を使用するガスタービン燃焼器を模擬したスワール型乱流燃焼器を対象とした多次元多変量レーザ計測を行い, その動的特性についての検討を行った. 時系列粒子画像流速計, 圧力振動及びCH自発光の同時計測により, 流体速度場と燃料液滴の分布, 圧力振動及び火炎の挙動を計測することで, 燃焼器内に存在する支配的な2つのモードとその当量比依存性を明らかにした.

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

当初の計画通り, 開発した多次元多変量時系列レーザ計測法を用いて, 高レイノルズ数乱流条件下における乱流予混合火炎の局所火炎構造及びその動的特性を検討することができた. 広範な条件において高い精度を有するSGS燃焼モデルの構築には高圧・高レイノルズ数乱流予混合火炎を対象とした実験計測が必要不可欠であるが, これは現在順調に遂行されている.

今後の研究の推進方策

引き続きこれまでの実用燃焼器を模擬した高レイノルズ数条件下での研究を進めるとともに, 現有の定容容器型乱流燃焼器に多次元多変量時系列レーザ計測法を適用することにより, 高圧力条件下で形成される乱流予混合火炎のフラクタル特性等, 大域的火炎構造の動的特性及びそれらの圧力依存性を明らかにすることに重点をおいて研究を行う.

  • 研究成果

    (6件)

すべて 2013

すべて 雑誌論文 (3件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] 高繰り返し周波数CH/OH PLIFとステレオPIVの同時計測による乱流噴流予混合火炎の局所火炎構造と動的特性の解明2013

    • 著者名/発表者名
      城地文音, 志村祐康, 店橋護, 宮内敏雄
    • 雑誌名

      第50回伝熱シンポジウム講演論文集

      ページ: 328-329

  • [雑誌論文] 高繰り返し周波数CH/OH PLIFと時系列ステレオPIVの同時計測による乱流予混合火炎の局所火炎構造と動的特性の解明2013

    • 著者名/発表者名
      城地文音, 志村祐康, 店橋護, 宮内敏雄
    • 雑誌名

      第51回燃焼シンポジウム講演論文集

      ページ: 516-517

  • [雑誌論文] Investigation on Local Structure and Dynamics of Turbulent Premixed Flame by High-Speed Laser Diagnostics2013

    • 著者名/発表者名
      Ayane Johchi, Yoshitsugu Naka, Masayasu Shimura, Mamoru Tanahashi, Toshio Miyauchi
    • 雑誌名

      Proceedings of the Second International Education Forum on Environment and Energy Science

  • [学会発表] Investigation on Local Structure and Dynamics of Turbulent Premixed Flame by High-Speed Laser Diagnostics2013

    • 著者名/発表者名
      Ayane Johchi, Yoshitsugu Naka, Masayasu Shimura, Mamoru Tanahashi, Toshio Miyauchi
    • 学会等名
      The 2nd International Educational Forum on Environment and Energy Science
    • 発表場所
      Hyatt Regency Huntington Beach Resort and Spa (Huntington Beach, CA, USA)
    • 年月日
      20131213-17
  • [学会発表] 高繰り返し周波数CH/OH PLIFと時系列ステレオPIVの同時計測による乱流予混合火炎の局所火炎構造と動的特性の解明2013

    • 著者名/発表者名
      城地文音, 中吉嗣, 志村祐康, 店橋護, 宮内敏雄
    • 学会等名
      第51回燃焼シンポジウム
    • 発表場所
      大田区産業プラザPio(東京大田区)
    • 年月日
      20131204-06
  • [学会発表] 高繰り返し周波数CH/OH PLIFとステレオPIVの同時計測による乱流噴流予混合火炎の局所火炎構造と動的特性の解明2013

    • 著者名/発表者名
      城地文音, 志村祐康, 店橋護, 宮内敏雄
    • 学会等名
      第50回日本伝熱シンポジウム
    • 発表場所
      ウェスティンホテル仙台(宮城県仙台市)
    • 年月日
      20130529-31

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公開日: 2015-07-15  

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