| 研究課題/領域番号 |
25630055
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| 研究機関 | 上智大学 |
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研究代表者 |
渡邉 摩理子 上智大学, 理工学部, 准教授 (80452473)
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| 研究期間 (年度) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| キーワード | 混相流 / 燃焼 |
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| 研究実績の概要 |
前年度に旋回火炎を発生させる実験装置を製作し、粒子径範囲が0.25～60μmであるスモークを流入させてPIV（粒子画像流速測定法）を適用することにより火炎近傍のガス流速を計測した。しかしながら、画像が不鮮明でPIV解析の精度に問題があると考えられたため、今年度においては、まず、PIV用のシード粒子供給装置の改良を行った。装置改良後、前年度に計測が困難であった火炎基部を対象に、計測面数を増やしてPIVによる速度分布計測を実施した。結果として、旋回火炎基部において周囲の空気が旋回しながら火炎へ誘引され、火炎内で加速して上昇気流を形成する様子が観察された。また、火炎に近づくにつれ火炎周囲の空気の旋回速度が大きくなること、旋回速度はバーナ面よりもやや下流に進んだ位置で最大となり、さらに下流に進むと減少することが明らかになった。
次に、燃焼粒子周りの流動構造を調べるための実験装置の製作を行った。実験装置は、固体燃料（石炭）を台上に設置し、スポットヒーターで燃料を加熱して点火する構造とした。実験に際しては、燃料から100 mm離れた位置より、送風機を用いて一様な流速で空気と可視化用のスモークを供給し、レーザーシートを燃料に垂直に照射して、燃料粒子周りの流れを高速度カメラで撮影した。速度分布はPIVにより算出した。結果として、粒子表面から流速1.4～2.3 m/sのガスの噴出しを観測した。さらに、実験で得られた噴出し速度を用いて、表面からの局所的な噴出しを伴う粒子周りの流れの直接解析を実施した。結果として、垂直上向きに局所的な噴出しを与えた場合、噴出し速度が大きいほど抗力は小さくなり、揚力は大きくなるという傾向が得られた。
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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
燃焼粒子周りの流動が粒子の飛散特性に与える影響の解明に関連して、燃焼粒子周りの観察を行うための実験装置を製作し、粒子からの噴出し速度の計測を行うことができた。さらに計測結果をシミュレーションに反映させることで、燃焼する固体粒子に作用する抗力や揚力に関わる知見を得ることができた。実験装置の製作や実験手法の確立に遅れはあるものの、上述のようにシミュレーションを活用することで、燃焼粒子の運動解明を順調に進めることができている。
次に、前年度において旋回火炎の流動計測の妨げになっていたシード粒子供給に関する問題点を解決することができ、PIVによって旋回火炎基部の流動構造を解明することができた。一方で、上述の装置改良とPIV計測に時間を要したため、実施予定であったシュリーレン撮影による火炎基部の流れの可視化が先送りになっている。また、実験風洞についても設計段階であり、装置の製作は完了していない。
以上から、研究目的に対する現在までの達成度は60％程度であり、研究期間から考えるとやや遅れていると言える。
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| 今後の研究の推進方策 |
旋回火炎基部の流れを可視化するためシュリーレン法を適用し、前年度までにPIVにより取得した速度分布と合わせて、流動構造の解明を進める。なお、実験データでは時空間分解能が不十分であると予測されるため、次年度においては、旋回火炎の数値シミュレーションを並行して実施し、実験結果を補完する。シミュレーションにおいては、市販のソフトウェアであるANSYS社FLUENTを用いることで、解析コードの構築に掛かる時間を短縮する。旋回火炎に関する計測結果及び数値解析結果に基づいて風洞設計を行い、画像計測により粒子の飛散特性の解明に当たる。燃焼粒子周りの流動構造については、現状の計測では空間解像度が不十分であるため、拡大撮影を行うなどして測定精度を向上させた上で、再計測を実施する。装置の製作期間を考慮すると、上述の研究計画のうち、まず旋回火炎基部の構造解明を優先的に実施する必要がある。また、装置の製作と並行して、粒子運動の計測手法に関する検討を進める。現段階では研究の進捗がやや遅れているため、事前の文献調査、情報収集、予備実験、シミュレーションを活用した予備検討を十分に行って、作業の効率化を図っていく。
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