2018 年度実施状況報告書

木材の有炎燃焼・赤熱燃焼に関わる熱物性値の解明と燃焼シミュレーション

研究課題

研究課題/領域番号	16K18201
研究機関	国立研究開発法人森林研究・整備機構
研究代表者	上川大輔国立研究開発法人森林研究・整備機構, 森林総合研究所, 主任研究員等 (30409651)
研究期間 (年度)	2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード	赤熱燃焼 / 燃焼シミュレーション
研究実績の概要	コーンカロリー試験での燃焼の再現・予測を目的として、炭化物が加熱を受けた状態で赤熱燃焼する状況を熱伝導解析により計算するモデルを構築した。モデルでは、炭化物を厚さ方向に細分化し、微小時間での境界領域での外部との熱移動と酸化発熱、各領域間での熱伝導を計算している。温度等木材・難燃処理材の炭化物の高温時の熱伝導解析には、温度・厚さ・水分量などの物理量を各領域について逐次計算する必要がある。また、木材や炭化物の熱伝導解析には、熱伝導率等多くの物性値が必要となるが、その多くは温度依存性がある。特に木材は温度上昇により水分の蒸発や熱分解が生じるため非常に複雑に変動する。そこで、多くの文献値や研究事例を取りまとめ、木材の温度上昇時の熱的挙動を適正に説明し得る各物性値の温度変化を検討し、計算モデルへと反映させた。酸化発熱の具体的数値は実験より得た値を用いた。差分法を改良した解析手法を用いて燃焼の再現計算を行ったところ、実際の燃焼結果と異なる結果が得られた。これは、これまで実施してきた上記発熱速度と風速の関係をコーンカロリーメーター試験機にて計測する際に用いていた試験体が薄い炭化物であり、有風下の燃焼により短時間で燃え尽き、正確なデータが取れていないことが原因と考えられた。今後はこれまで炭化時の割れや平滑性に関する制限により薄い炭化物サンプルしか作成できなかった点を修正し、炭化物サンプルをより厚みのあるものとし、上記計測の追加試験を実施することで発熱に関するデータの精度の向上を図る必要がある。さらに、より長時間の実験での発熱速度計測を行うことで更に実態に近づけた再現・予測が可能となると考えられる。
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研究の最終年度である平成３０年度に、差分法を改良した数値解析モデルによる燃焼の再現計算を行い、炭化物の赤熱燃焼時の発熱速度と周囲風速との関係について実際の実験値との比較を行ったところ、用いた試験体が薄い炭化物であったことが原因で実際の燃焼結果と異なる結果が得られた。そのため、これまで炭化時の割れや平滑性に関する制限により薄い炭化物サンプルしか作成できなかった点を修正し、炭化物サンプルをより厚みのあるものとし、上記計測の追加試験を実施することで発熱に関するデータの精度の向上を目指すこととした。
今後の研究の推進方策	有風下での炭化物の赤熱燃焼について、厚さや形状を改良したサンプルを用いて実験を行い、より精度の高いデータを取得する。また、送風機にも改良を加え検証する風速範囲を増やすほか、難燃処理サンプルの薬剤量などの範囲も増やす予定である。これらより取得したデータを数値計算モデルへと組み込み、実験での燃焼常用の再現を行いモデル妥当性を検証する。
次年度使用額が生じた理由	これまでに実施した、周囲風速と炭化物の赤熱燃焼発熱速度との関係を把握する実験に関して、用いたサンプルが薄いものであったために正確な発熱速度が把握できていない可能性が判明したため、サンプルの作製方法を修正しより厚いサンプルでの追加試験を実施することとし、計画期間の延長を申請した。そのため、次年度での試験費用として次年度使用額が生じることとなった。次年度は、これらデータの精度を高める追加試験のほか、送風機に改良を加えより速い風速下での値追加し、より正確で汎用性の高いデータを整備する予定である。