2020 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation and modeling of wall chemical effect with plasma techniques and combustion diagnostics
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19H02075
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
齋木 悠 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60550499)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杵淵 郁也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30456165)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 燃焼 / 壁面効果 / 表面反応 / ラジカル / プラズマ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
壁面に近接して形成される火炎は壁の影響を強く受け，その火炎構造や消炎機構が，壁表面の物理化学特性に依存して大きく変化することが知られている．壁面が火炎に与える効果には，流体力学的効果・熱的効果に加え，火炎中のラジカルが壁面で吸着・再結合して消失する化学的効果が存在するが，化学的効果に関しては，ラジカル表面反応の実験的評価が極めて難しく，その詳細なメカニズムには依然として不明な点が多い．そこで，本研究では，非平衡プラズマ技術と燃焼診断技術を融合した独自の手法により，吸着・再結合・脱離からなる一連のラジカル表面反応プロセスを解明・モデリングすることを目的としている．
当該年度は，アルゴンおよびヘリウムガスを用いた非平衡プラズマジェットにより，燃焼反応において主要な役割を担うH, O, OHラジカルをオンデマンド生成し，異なる壁面に対して噴出することで，大気圧下における各ラジカルの吸着反応挙動を調査した．その結果，石英壁面において各ラジカルが微弱ながら有為に吸着することをその温度依存性も含めて明らかにした．一方，超高真空下の非平衡プラズマを用いたラジカル線散乱実験については，コロナ禍の影響により進捗が少し遅れているものの，HおよびOラジカル線の生成には成功しており，異なる壁面における各ラジカル吸着の直接的な定量化が可能な段階にある．さらに，壁面よどみ火炎によりラジカルと壁面が定常的に強く干渉する場を形成し，壁面ごく近傍における燃焼ガス組成をガスクロマトグラフィーと数値シミュレーションにより評価することで，ステンレスおよび石英壁面上におけるHラジカルの再結合反応速度を見積もることに初めて成功した．これまでの結果により，化学的効果において最も重要なHラジカルの表面反応過程については，その解明とモデル化が完了しつつある．
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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
本研究では，壁面と火炎の干渉機構において重要となるラジカル表面反応プロセスを解明・モデリングすることを目的としている．そのため，当該年度は，ラジカル吸着反応を定量化するためのプラズマ分子線散乱実験および大気圧プラズマジェット壁面照射試験，また，ラジカル再結合反応を評価するための壁面よどみ火炎の実験および数値シミュレーションを遂行することを目標とした．大気圧プラズマジェット実験においては，生成したH, O, OHラジカルを壁面に照射することで，石英壁面における各ラジカルの吸着反応挙動を明らかにした．また，壁面よどみ火炎を用いて，ステンレス・石英壁面におけるHラジカルの再結合反応速度を定量的に評価することにも成功している．一方，東京大学で実施しているプラズマ分子線散乱実験については，コロナ禍の影響によりその進捗が予定よりやや遅れているものの，HおよびOラジカル線の生成は可能であることを確認しており，これらラジカルの吸着反応の直接的な定量化は可能な段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，プラズマ分子線散乱実験，大気圧プラズマジェット壁面照射実験，壁面よどみ火炎の実験・数値解析を遂行し，吸着・再結合・脱離からなる一連のラジカル表面反応過程の定量化を目指す．これまでの研究成果から，Hラジカルの表面反応過程については，その詳細が明らかになりつつあるため，今後は，他のラジカルの評価も積極的に進める．具体的には，プラズマ分子線散乱計測により，OおよびOHラジカルの初期吸着係数を，ステンレス，石英，アルミナ，YSZ等の壁面に対し壁温を変えながら直接的に定量化する．また，プラズマジェットにより生成した各ラジカルを壁面に照射することで，大気圧下における各ラジカルの吸着反応を分光分析技術を用いて評価する．さらに，壁面よどみ火炎を用いた壁面ごく近傍のガス組成分析により，OおよびOHラジカル再結合反応の評価を行う．
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