| 研究課題/領域番号 |
18K03967
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| 研究機関 | 筑波大学 |
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研究代表者 |
西岡 牧人 筑波大学, システム情報系, 教授 (70208148)
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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 | 希薄燃焼 / 正ブタン火炎 / 旋回火炎 / DRG / 自然対流熱伝達 |
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| 研究実績の概要 |
2018年度にはまず正ブタンを対象として、発熱を考慮したDRGによる簡略化反応機構の作成を行なった。更に、購入した数値計算用サーバ上で、正ブタン空気火炎の軸対称二次元詳細反応数値計算を行なった。なお並列計算ができるように計算コードの修正も行った。この簡略化反応機構と並列計算を用いることで、元の詳細反応では計算負荷が高すぎて極めて困難であった正ブタン火炎の数値計算を行えるようになった。
一方実験においては、旋回バーナにおいてプロパン空気火炎と正ブタン空気火炎の希薄消炎限界の測定を行なった。その際、いずれの火炎も定常状態にならず、数分間かけてゆっくりと下流に移動し、最終的にはバーナのガラス管の外に出て行ってしまう現象が確認された。この現象は数値計算では全く見られず、実験と数値計算の比較のために早急に解決する必要があった。現象の時間スケールから、これは化学反応や火炎近傍の流体現象ではなくガラス管外壁付近の自然対流熱伝達およびガラス内部の熱伝導に起因していると推測し、管壁の外側の熱伝達を抑制することで現象の抑止を図った。具体的には(1)火炎下流の高温領域において燃焼器のガラス管を断熱材で覆う、(2)燃焼器のガラス管全体を同軸のガラス管で覆って隙間が狭い二重管状態にする、という２通りの実験を行なった。その結果、いずれの場合も火炎の移動の抑制に成功した。ただし(1)の場合は断熱材で火炎が見えなくなるため、(2)の方法を採用することにした。
また、液体燃料のための予熱旋回バーナの製作を完了した。このバーナでは予混合気の温度が低下して燃料成分が再液化しないように、バーナ下部の旋回流発生装置全体を指定する温度に加熱できるようにした。そしてこのバーナを用いてメタン空気混合気の実験を試験的に行い、スリット出口温度を熱電対で測定することで、予混合気が有効に予熱されていることことを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
数値計算については、発熱を考慮したDRGによる簡略化反応機構の作成および計算コードの並列化を含め、おおむね順調に進んでいる。また気化器付き予熱旋回バーナの製作も順調である。しかし希薄消炎限界の測定実験については、正ブタンの火炎がゆっくりと移動して定常にならないという想定外の壁にぶち当たった。このような現象は数値計算では全く見られないため、実験と数値計算の詳細な比較を行う際には重大な問題であり、そのために実験の遂行がかなり遅れることになった。なお、これを解決するための方策として、燃焼器のガラス管の周りに同軸にもう一つのガラス管を設置し、二重ガラス管にして自然対流熱伝達を抑えることを考案して実施した結果、移動の防止に成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験における火炎のゆっくりとした移動現象は、燃焼器のガラス管の外側にもう一つのガラス管を二重に設置し、前者のガラス管の外壁における自然対流熱伝達を減少させることで防止する。またその際、外側のガラス管がPLIFやPIVなどの光学測定の障害になる可能性があるので、なるべく影響が少なくなるように厚みが薄いガラス管の使用を検討する。また、これまでの正ブタンに加えて、液体燃料である正デカンを用いた実験と数値計算を開始する。その際、正デカンの反応機構についてもDRGを用いて簡略化を行う。正ブタンや正デカン、プロパンなどの火炎の形状や希薄消炎限界について実験と数値計算との詳細な比較を行い、超希薄燃焼の実現可能性を探るとともに、それが実現できた場合のメカニズムを数値計算によって調べる。
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