2019 Fiscal Year Annual Research Report

Elucidation of mechanism of combustion noise generation and modulation from turbulent lean premixed swirling flame

Research Project

Project/Area Number	19H02076
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	黒瀬良一京都大学, 工学研究科, 教授 (70371622)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	立花繁国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 上席研究開発員 (50358496) 横森剛慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90453539)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	燃焼騒音 / 予混合火炎 / 乱流 / 実験 / 数値解析
Outline of Annual Research Achievements	(1) 実験：弱旋回予混合バーナーにおける水素火炎から発生する直接燃焼騒音を，開放空間（壁面なし）の条件下で計測した．計測にはマイクロフォンを使用し，サンプリング周波数は200kHzとした．また，騒音計測と同時に，OH*自発光計測及びOH-PLIF計測をサンプリング周波数10kHzで実施した．さらに，燃焼騒音計測とは別に，単独で2次元PIV計測をサンプリング周波数4Hzで実施し，平均的な流速場の様子を確認した．試験条件はバルク流速10-25m/s，当量比0.25-0.55の範囲とし，スワール数は0.39で固定した．本結果から，バルク流速一定の条件下で当量比が増加すると，燃焼騒音の音圧レベルが増大することが判明した．また，燃焼騒音のスペクトルは一般的にブロードバンドで特徴的なピークを持たないが，比較的高当量比の条件において，燃焼騒音のスペクトル上に複数個の特徴的なピークが確認された．これらのピークは，火炎とせん断層から生じる渦との干渉に起因するグローバル及びローカルな発熱率・火炎構造の周期的挙動と相関があることが明らかとなった． (2) 数値計算：上記の実験と同様の開放空間（壁面なし）の条件下で数値解析を実施し，実測値との比較を行った．数値解析手法としては，計算対象の広さと形状の複雑さ考慮し，LESと数値流体音響解析（CAA）を組み合わせたHybrid LES/CAA法を用いた．本結果から，計算で得られた流速分布，及び火炎の挙動は，実験値と定性的に一致することが確認できた．また，本解析結果は，熱発生率の大きい領域に主要な音源が存在するという燃焼騒音の特徴を再現可能であり，その音源の強度は，下流に行くにつれて最大値をとったのち減少することがわかった．さらに，火炎から離れた領域における燃焼騒音の音圧レベルは，下流に行くにつれて高周波数領域の減衰が顕著になることがわかった．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 実験は順調に進み，2020年度に計画している高速度PIV計測の予備試験まで実施できた．また，取得した粒子画像を用いて，速度ベクトルを算出する手法やレーザー反射光を低減・除去する手法についても検討を行った．一方，数値計算については，定量的な精度に問題が残った．つまり，計算予測精度を向上させるためには，ノズル出口における周方向の流速分布の再現性を改善する必要があることが判明し，2020年度に引き続き検討を行うこととなった．
Strategy for Future Research Activity	本研究は，今後も当初の予定通り進める予定である，近々の具体的な計画は以下の通りである． (1) 実験：バルク流速15，25m/s，当量比0.25-0.55，スワール数0.39の試験条件のもと，火炎近傍に壁面（材質は石英、形状は平板及び半円筒を予定）を設置して試験を実施することで，壁面の有無が燃焼騒音の音圧レベル，スペクトル特性，及び火炎挙動に及ぼす影響等を詳細に調査する．計測手法としてはマイクロフォンによる燃焼騒音計測とOH*自発光計測あるいは2次元PIV計測を同時に，高い時間分解能で実施する．特にレーザーを使用するPIV計測時においては，壁面の導入により壁面からのレーザー反射光が強く発生し，計測データに悪影響を及ぼすことが想定される．そのため， 2019年度に引き続きレーザー反射光の低減・除去技術の向上にも取り組み，計測データの精度向上に努める． (2) 数値計算： 2019年度に実施したHybrid LES/CAA法の計算予測精度を向上させるため，ノズル出口における周方向の流速分布の再現性を改善する．これは，ノズル出口における旋回噴流速度の3方向成分分布を変化させた計算を数例実施することによって調整を行う予定である．また，並行して，上記の実験と同様の壁面を火炎近傍に設置した条件でHybrid LES/CAAを実施し，実験で得られたデータとの比較を行うことによって，計算精度の検証を行うと共に，壁面における境界条件の最適設定法について詳細な検討を行う．