2020 Fiscal Year Research-status Report
Modeling of combustion oscillation using acoustic impedance of as acoustic boundary conditions
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19K14919
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
上道 茜 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (10734155)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 燃焼振動 / 音響インピーダンス / 発振周波数 / 音響ネットワークモデル / 共鳴周波数 / 振動モード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究グループでは，燃焼振動実験を行い，水素都市ガス混合燃料を用いた場合，200 Hzおよび400 Hz付近での燃焼振動が発生することを発見した。これは，都市ガス専焼の場合に計測される350 Hz付近の発振周波数とは振動モードが異なると考えられる。そこで，燃焼特性の変化が音響的境界条件に影響をもたらすという仮説に基づき，燃焼振動現象の加振源である温度分布をモデルに組み込み，燃焼振動現象をよく表現することができるモデルを構築することを目的とする。本年度は以下の項目を実施した。
1. 燃焼器内軸方向代表温度分布作成方法の検討
これまでに構築した燃焼器の音響ネットワークモデルでは，得られた発振周波数の候補は実験で観測された発振周波数とは異なっていた。そこで，燃焼器内の軸方向代表温度分布の作成方法を精査して，発振周波数の候補との関係を検討した。燃焼特性を表すと考えられる5つのパラメタ（未燃温度，既燃温度，火炎面位置，火炎帯幅，火炎後流熱損失）を変化させて軸方向代表温度分布を作成し，これを用いて計算した。しかし，この結果，パラメータが発振周波数に与える影響や相関を検討することはできなかった。検討の結果，燃焼器の分割数は，未燃と既燃の2領域のみで十分であると結論づける。
2. 燃焼器より上流側の配管を考慮した音響ネットワークモデルの構築と共鳴周波数の検討
1で実施した方法では発振周波数を特定するに至らなかったことから，音響ネットワークモデルに燃焼器よりも上流の配管要素を加えた。具体的には，燃焼器上流に設置されているスワラ，スワラ流路，ケーシング，空気供給配管を配管要素として，伝達マトリクスを用いて接続した軸方向一次元ネットワークモデルとした。このモデルを用いて計算から得られた共鳴周波数（発振周波数の候補として複数得られる）は，水素混焼の場合の200 Hzおよび400 Hzの振動モードを含む。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究代表者は，2020年4月に東京農工大学から早稲田大学に異動した。しかし，新型コロナ感染症拡大に伴う緊急事態宣言の発出により，当面の期間，実験室整備および実験に着手することができない状態が続いた。したがって，実験の進捗状況は遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1. 音響ネットワークモデルの修正
2020年度に実施した音響ネットワークモデルの構築では，簡単のため，実際の装置とは異なる仮定を置いているものがあり，修正を要する。具体的には，本来，8本あるスワラ流路を1本している，燃料供給管をモデル化していないといった点を修正する。
2. 励振エネルギーによるシステム安定性解析
2020年度に実施した燃焼器上流側の配管要素を加えた音響ネットワークモデルによる検討では，共鳴周波数を算出するに至った。この検討によって，本研究の関心は燃焼振動の問題から，熱による配管系の自励的音響振動の問題に変化した。このことから，1サイクルあたりの励起エネルギーとエネルギー損失を比較して，前者が後者を上回る場合に発振が起きると考える。エネルギー損失については，圧力脈動による配管要素の抵抗（モード減衰）を算出することで求められる。また，励起エネルギーについては，燃焼振動研究でしばしば用いられるRayleigh criterion等によって計算することとする。
3. 複雑な形状を有する配管要素における音響減衰の計測
上記1の項目に関連して，配管要素の音響減衰を計測する。特に，スワラや層流流量計については形状が複雑であるため，理論的なアプローチよりも実験による計測が望ましいと考える。
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| Causes of Carryover |
申請者は，2020年4月に再び所属機関が変わったため，実験装置および配管のレイアウトや架台などの部品材料費，加工費用として補助金を使用する計画であった。しかし，新型コロナ感染拡大に伴う緊急事態宣言の発出等により，実験室の整備の予定が大幅に遅れており，計画に沿った使用が不可能であった。2021年度は，2020年度に実施できなかった実験装置および配管の整備を進める。新たに，複雑な形状を有する配管要素における音響減衰の計測を行うこととしたが，この実験は，基本的にはこれまでに実施してきたRijke管における音響インピーダンス計測の手法と類似するため，必要な機材を適宜追加するものとする。
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