2018 Fiscal Year Research-status Report
Scaling law of NOx emissions from diluted flames on parallel jet spray burners
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18K03981
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
名田 譲 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (50383485)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 高温空気噴霧燃焼 / 窒素酸化物 / NOx生成速度 / 火炎体積 / スケーリング / 液滴到達距離 / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，デカンを燃料とした燃焼実験を行い，熱電対による炉内温度分布測定を行った．この結果から火炎体積を求め，ノズル間隔および予熱温度との関係を明らかにした．さらに，燃焼炉から排出される窒素酸化物（NOx）の濃度測定を行い，その結果と火炎体積からNOx生成速度を求め，火炎の最高温度との関係を調べた．この結果，両者の間には明確な相関が見られ，火炎体積と最高温度が高温空気噴霧燃焼から排出されるNOxの支配要因であることが明らかとなった．
燃焼実験と並行して，ノズルから噴射される燃料液滴の粒径分布測定を行った．液滴分布の測定には，常温非燃焼場である噴霧室と，シャドーブラフ法を用いた．しかし，想定した以上の微細な液滴が多く噴射されたため，実験装置の空間分解能の制限から，正確な液滴粒径を算出できなかった．この点に関しては，光学系の改良を行い，空間分解能を向上させたのち，再度実験を行う予定である．
また，燃焼炉内のNOx生成メカニズムの詳細を明らかにするために，汎用流体解析ソフトウェアであるFluentを用いて，燃焼炉内の定常RANSシミュレーションを行った．燃焼モデルにはEDCモデルを用い，反応機構として四段総括反応機構を用いた．輻射の影響は考慮されている．この結果，シミュレーションから得られた温度分布と実験結果は良い一致を示す．ただし，用いた四段総括反応機構は既燃ガスにより希釈された混合気の燃焼反応を再現できなかったため，反応機構のパラメータを調整した．今後，この調整の妥当性を検証する必要がある．この数値シミュレーションに関する結果は，第56回燃焼シンポジウムにて発表済みである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
申請時の計画では，本年度は，小型燃焼炉内に形成される希釈火炎の火炎体積の測定と，燃料ノズルから噴射される燃料液滴の粒径分布測定，および数値シミュレーションに用いる小型燃焼炉の計算メッシュの作成を行う予定であった．火炎体積に関する研究に関しては，デカンを燃料とした小型燃焼炉の実験から，火炎体積の算出，ノズル間隔および予熱温度の影響の解明，およびNOx排出量を決定する要因の解明が行われた．このことから，火炎体積に関する研究は，予定通りに完了したと考えている．
燃料液滴の粒径分布測定については，計画より遅れている．当初想定していた液滴径より微細な液滴が多く噴霧されているため，現状のシャドーグラフ法による撮影からは，十分な空間分解能を有する結果が得られていない．今後，光学系の改善などを行う予定である．
また，数値シミュレーションに関する研究は計画より前倒しで進めることができた．当初の計画は，シミュレーションに必要な計算メッシュの作成であったが，それを用いた数値シミュレーションを実際に行った．この結果，実験結果を数値シミュレーションで再現するには，用いる多段総括反応機構の再調整が必要であることがわかった．現状，総括反応機構のパラメータを簡易的に調整することで，数値シミュレーション結果を実験結果とほぼ一致させることができる．このように，数値シミュレーションに関しては，第二年度の予定である合わせこみの段階に既に入っている．
上記三点に関する研究の進捗から，本研究は全体としておおむね順調に進んでいると判断している．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の計画では，本年度は燃焼炉内の液滴到達距離を測定する予定である．現在，液滴を可視化するための観察窓付き燃焼炉と光学系を構築中である．これらの実験装置を用いて液滴の到達距離を測定し，それに対する予熱温度およびノズル間隔の影響を明らかにする．同時に，NOx濃度を再測定し，液滴到達距離とNOx濃度の関係を明らかにする．また，昨年度の残課題であるノズルから噴射される燃料液滴径の測定を常温非燃焼場にて再度行う．空間分解能を改善するために，レンズを含めた光学系の再調整を行う．測定方法には，引き続きシャドーグラフ法を用いる．
昨年度の研究結果から，シミュレーション結果を実験結果と合わせるには，反応機構の再調整が必要となることがわかった．本年度では，現在使用している四段総括反応機構と詳細化学反応機構を用いて，さらに単純な場での反応計算を行い，総括反応機構の精度を検証する．この結果を踏まえて，総括反応機構のパラメータの調整と総括反応の取捨選択を行う．この調整された反応機構を用いてシミュレーションを行い，実験結果と比較をすることで，希釈燃焼に最適な反応機構を提案する．この際，同時にシミュレーションでの液滴の到達距離と実験から得られた到達距離を比較し，実験結果に合わせこむ．このために，蒸発モデルにおけるパラメータの調整とモデルの選択を行う予定である．これらの手法を用いて，シミュレーション結果の高精度化を図る．
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