| 研究課題/領域番号 |
16K06131
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| 研究機関 | 日本大学 |
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研究代表者 |
木村 元昭 日本大学, 理工学部, 教授 (70204998)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 噴流 / 拡散制御 / DBDプラズマアクチュエータ / 火炎 / 化学活性種 / 電界 |
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| 研究実績の概要 |
本研究ではノズル出口に同軸型DBD(Dielectric Barrier Discharge)プラズマアクチュエータ：DBD-PAを形成し，プラズマの誘導流により速度分布を操作し，空気噴流の拡散制御に関する知見を得るため，また，この制御方法をバーナー火炎に適用し，火炎の安定，変形，吹き飛びとの関連性を明らかにする．
噴流の研究では，主噴流を空気としてDBD-PAをバースト駆動させ，渦輪の発生を制御することで噴流制御を試みた．平成28年度は主にレーザーシートライト法で可視化されたハイスピードカメラの画像より，噴流の構造から自然周波数やロックイン現象を視覚的に解析した．平成29年度は，日本大学理工学部機械工学科で導入したLDV（レーザードップラー流速計）を用いてDBD-PAをバースト駆動させた場合，させない場合の速度分布及び速度変動分布を詳細に計測し，前年度得られた可視化動画と照らし合わせながら，速度分布と渦輪の構造の関係を明らかにした．
バーナー火炎の研究では，プロパンと空気の予混合火炎にプラズマを印加した．当量比を変化させた燃焼継続確認，ハイスピードカメラを用いた火炎形状撮影，線香粒子を用いた流れの可視化，LDVを用いた流速測定，電場を発生させた実験，V-Qリサージュ法を用いた電力測定実験を実施した結果，以下の知見を得た．(1)低当量比においても，火炎の吹き消えを抑制できた．印加電圧10kV，14kVにおいて，当量比0.85まで燃焼継続することが可能となった．(2)印加電圧10kV，14kVにおいて，誘起流れが燃焼の継続に影響を与えていると考えられる．(3)電場を発生させた結果，燃焼を継続することができた．このことより，電場が同軸型DBDプラズマアクチュエータを用いた時の燃焼継続の要因の一つと考えられる．
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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
噴流の研究は，当初の計画ではDBD-PAの電極の形状を決定し，浮力噴流拡散手法を確立する．としていたが，電極の形状はほぼ決定しているが，印加するバースト周波数の組み合わせに関する拡散制御効果の確認に時間を要している．平成29年に導入したLDVにより正確に速度分布を測定することが可能となったが，測定のために気体中に混入するシード粒子の混入方法（A：噴流のみ混入，B：周囲気体にも混入）によりデータの変化があることが判明し，周囲気体に混入するための装置を改造して実験を遂行している．さらに，噴流外周を測定する場合の測定値のバラつきの評価の検討にも時間を要している．噴流拡散の評価基準として，噴流の速度分布とエントレインメント量の変化を考えているため重要な内容となるので慎重に進めている．
一方，バーナー火炎の研究では，プロパン予混合バーナー火炎にDBD-PAを適用し，当量比，印加電圧・周波数を変更しながら，火炎形状の形状をハイスピードカメラで撮影分析すると共に，化学活性種を分光的に捉えようと試みてきた．この中で，高電圧の場合は化学活性種の増大が有り火炎に影響を及ぼしていることが明らかとなっているが，4kV程度の電圧ではプラズマ自体が発生しないにもかかわらず，火炎の吹き飛びが生じない現象が認められている．本件に関しては，電界の影響が考えられたため，DBD-PAの暴露電極のみに交流高電圧を与える試みを実施した．この結果，電界が火炎の吹き飛びを抑える作用があることが認められ，研究の方向性を修正する事も必要と考えられ時間を要している．
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| 今後の研究の推進方策 |
噴流の研究に関しては，平成28年度に取得した可視化情報を基に渦輪生成から渦輪の崩壊による噴流拡散の過程を詳細に分析するとともに，平成29年度に導入したLDVによる速度データを基に，噴流拡散に顕著な効果をもたらすDBD-PAの操作方法と，逆に噴流を拡散せずに遠方まで届かせるためのDBD-PAの操作方法を見出す．
バーナー火炎の研究では，プロパン予混合バーナー火炎にDBD-PAを適用し，当量比，印加電圧・周波数を変更しながら，火炎形状の形状をハイスピードカメラで撮影分析すると共に，活性化学種による影響に注目してきた．活性化学種の影響は勿論考えられるが，平成29年度，交流電界のみを与える方法により火炎の吹き飛びが抑制された結果を得たことから，電界が与える影響についても新たに研究を進めていく．また，プラズマの発生を均一にすることにより火炎形状が安定することが分かっているので，電極の形状を再度検討し，現在使用している電極に溝を施すことによりプラズマ発生の均一化を図り，火炎形状の安定性の向上を目指す．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成29年度，当初はDBD-PAの電極の種類を増やしてその効果を見極める予定であったが，電極は同種類のものを用い，バースト周波数の変更を主に実験を進めたことと，電極をこまめに清掃することで継続して同じ電極が使用できることが判明し，電極製作にかかる費用が軽減したため残額が発生した．
平成30年度はLDVやPIVを用いた流速測定に注力する予定である．この場合，噴流だけでなく周囲気体にシード粒子を入れることで測定の信頼度が向上する．周囲気体にシード粒子を入れるための装置の購入に予定された予算以上の金額が想定される．今回の残金はこの装置の購入に使用する予定である．
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