| 研究課題/領域番号 |
18H01665
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| 研究機関 | 山形大学 |
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研究代表者 |
桑名 一徳 山形大学, 大学院理工学研究科, 准教授 (30447429)
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| 研究分担者 |
中村 祐二 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50303657)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 火災 / 燻焼 / 有炎燃焼 |
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| 研究実績の概要 |
燻焼（火炎を生じない燃焼形態）から有炎燃焼への遷移が火災被害の急拡大をもたらす．したがって，燻焼から有炎燃焼へ遷移する臨界条件を明らかにすることは火災リスクマネジメント上重要である．しかし，この遷移現象を対象とした体系的な研究例は限定的である．本研究は，「燻焼から有炎燃焼への遷移現象の学理の探究」を目的として，理論および実験の両面からこの遷移現象の科学的解明を目指すものである．2018年度は，遷移の臨界条件に関する科学的知見を得るために，理論解析と擬一次元実験および燃え拡がり実験を主として実施した．
理論解析では，対向流拡散火炎に類似する一次元系の保存式を導出し，数値解を求めた．そして，気相の最高温度と固相の表面温度を比較することにより燃焼形態（燻焼あるいは燃焼形態）を判定する方法論を提案した．様々な酸素濃度に対して数値解を求めることにより，酸素濃度が高い条件では有炎燃焼が生じ，ある臨界濃度を下回ると燻焼に変化することを明らかにした．なお，さらに酸素濃度が低下すると，燻焼も起こらない消炎状態へと変化する．
この理論解析のモデルに対応する擬一次元の対向流系の実験を行った．可燃性固体としては，円筒状に成型したセルロース系試料を用いた．酸素濃度や酸素の供給速度をパラメータとする実験であり，燻焼から有炎燃焼へ遷移する様子が確認された．
以上に記した理論解析および燃焼実験に加え，実火災シミュレーションおよび火災の模擬実験を実施するための準備を行った．具体的には，シミュレーションにおけるパラメータを特定し，1次元の理論解析モデルを火災初期の燃え拡がり現象に適用するための定式化を行った．さらに，火災初期の燻焼燃え拡がり実験を行うための排気系を整備した．
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| 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
2018年度に実施を計画していた「擬一次元実験による臨界条件評価」，「遷移条件予測のための数理モデル構築」，「実火災シミュレーションおよび火災の模擬実験の準備」の全てを実施し，おおむね計画通りに進行している．
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| 今後の研究の推進方策 |
2018年度の研究により，一次元モデルによる遷移条件の予測にはおおむね（定性的には）成功した．今後は，実験と理論解析の結果を比較しながら，遷移条件の定量的な予測を可能にすることを目指す．まず，理論解析の結果と定量的に比較できるように一次元性を高めた実験を実施し，温度分布や燃焼率を測定する．その結果を理論解析の結果と比較し，モデルの予測精度を検証する．なお，モデルで用いている燻焼反応速度パラメータは用いる可燃性固体により値が異なるため，調節が必要である．熱分析データなどをもとに反応速度パラメータのチューニングを行い，予測精度の向上をはかる．
実火災シミュレーションに向けて，多次元性を考慮できる燃え拡がり現象のモデル構築およびシミュレーションを実施する．1次元モデルを拡張することにより基礎式を導出し，数値解を求める．燃え拡がり実験の結果との比較も行う．この燃え拡がりモデルはまず2次元系を対象とするが，3次元系への拡張も行う．3次元系でも燃え拡がりシミュレーションができれば，それがすなわち実火災シミュレーションである．実火災での遷移条件に関する考察をもとにシミュレーションの対象を選定し，それに対応する3次元的な燃え拡がり実験（火災の模擬実験）を準備する．
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