| 研究課題/領域番号 |
18K03964
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
松下 洋介 東北大学, 工学研究科, 准教授 (80431534)
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| 研究分担者 |
青木 秀之 東北大学, 工学研究科, 教授 (40241533)
齋藤 泰洋 九州工業大学, 大学院工学研究院, 准教授 (50621033)
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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 | 予混合火炎 / 拡散火炎 / Flamelet / FPV / FGM / Large Eddy Simulation / 乱流シュミット数 / 有限体積法 |
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| 研究実績の概要 |
今年度も研究計画にしたがい，解析コードにFlameMasterを，詳細化学反応機構にGRI-Mech 3.0を用いて，一次元の対向流拡散火炎からFlamelet/Progress-Variable (FPV) approachに基づくFlameletテーブルを，一次元の予混合火炎からFlamelet-Generated Manifolds (FGM) methodに基づくFlameletテーブルをそれぞれ構築した．部分予混合乱流火炎であるSandia Flame Dを対象にこれらのテーブルを参照する乱流燃焼のLarge Eddy Simulationを実施した．その結果，速度，混合分率，温度や主要化学種の濃度とその分散について，FPVがより測定結果を再現した．これは，Sandia Flame Dでは予混合火炎よりも拡散火炎の性質をより強く示すためであると考える．また，対向流拡散火炎を対象にFPV，FGMに加えて化学平衡を仮定した層流の燃焼シミュレーションを実施した．その結果，当量比が1より小さい燃料希薄領域ではFPVとFGMはともに化学平衡を仮定した解析とほぼ同じ結果を示し，測定結果と一致するものの，当量比が1より大きい燃料過濃領域ではFGMのみ化学平衡を仮定した解析とほぼ同じ結果を示し，測定結果とは差異が生じたのに対し，FPVは化学平衡を仮定した結果とは異なり，測定結果とは概ね一致した．そのため，FPVとFGMの違いは特に燃料過濃領域に現れると考える．さらに，Flameletテーブルの容量を減らすため，LESでモデル化される乱流変動成分の統計量に対する確率密度関数にTop-hat関数を用いた解析も一部実施した．その結果，計算格子が十分に細かい場合，モデル化される変動成分が小さいことから確率密度関数に依存しない結果を求めることが可能であることを示唆した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
本研究課題ではFlamelet approachを用いて，予混合燃焼と拡散燃焼をシームレスにモデル化した燃焼シミュレーションを実現することを目標としており，2年目の目標は「FPVおよびFGMによるFlameletテーブルの構築」である．研究実績の概要でも述べたとおり，解析コードにFlameMasterを，詳細化学反応機構にGRI-Mech 3.0を用いて，一次元の対向流拡散火炎からFlamelet/Progress-Variable (FPV) approachに基づくFlameletテーブルを，一次元の予混合火炎からFlamelet-Generated Manifolds (FGM) methodに基づくFlameletテーブルをそれぞれ構築した．FPVとFGMの差異を詳細に検討するため，当初の研究計画には入れていなかったが，Sungの対向流拡散火炎を対象にFPVおよびFGMによるFlameletテーブルを参照する層流の燃焼シミュレーションを実施した．さらに，研究計画どおり部分予混合乱流火炎であるSandia Flame Dを対象にFlameletテーブルを参照する乱流燃焼のLarge Eddy Simulationを実施した．現在，3年目の目標である「複合Flameletモデルによる部分予混合火炎を対象とした乱流燃焼のLarge Eddy Simulation」の一部を前倒しで実施しており，研究は予定どおり以上に進んでいる．今後，燃焼場の局所においてFlame Indexを用いて予混合燃焼モードと拡散燃焼モードを認識し，適当な関数でFPVとFGMによるFlameletテーブルを結合することで，予混合燃焼モードと拡散燃焼モードをシームレスにモデル化することで研究課題を実現する予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題の最終年度である今年度は，一次元の対向流拡散火炎を対象とするFlamelet/Progress-Variable approach (FPV)と一次元の予混合火炎を対象とするFlamelet-Generated Manifolds (FGM) methodに基づき構築したFlameletテーブルを燃焼場の局所において予混合燃焼モードと拡散燃焼モードを認識可能なFlame Indexを用いて切り替えるあるいは結合することで，予混合燃焼モードと拡散燃焼モードをシームレスにモデル化し，乱流燃焼のLarge Eddy Simulation (LES)を実施することで研究課題を実現する．乱流燃焼のLESでは，予混合火炎および拡散火炎の異なる情報を含むFlameletテーブルをメモリ上に保存しながら計算しなければならないため，Flameletテーブルの低容量化にも取り組む．具体的には，本研究課題の2年目に検討したLESでモデル化される乱流変動の統計量に対する確率密度関数にTop-hat関数を用いる．これにより，確率密度関数は単純になるものの，これまで混合分率，その分散と反応進行変数の3次元のテーブルを2次元に削減可能である．さらに，2次元のテーブルのままこれまで容量の都合上考慮することが困難であった反応進行変数の分散についても考慮可能となり，反応進行変数の分散を考慮することによる影響も慎重に検討する．乱流燃焼のLarge Eddy Simulationのボトルネックとなる連立方程式には藤井のAMGSあるいはNotayのAGMGを用いて高速化を図るとともに，本学サイバーサイエンスセンターの並列コンピュータLX 406Re-2を用いて並列計算を実施することで効率良く研究を遂行する．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
概ね予定どおり執行したが，年度末に出席予定だった学会が新型コロナウイルス拡大防止のため中止となり，若干来年度への持ち越しが生じた．
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