渦流れによる吸音現象を利用したボイラ管群気柱共鳴現象の革新的防止対策の開発

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近年、CO2排出量が少ないコンバインドサイクル発電システムの開発が積極的に進められている。本発電において使用される排熱回収用ボイラなどの熱交換器の伝熱管群では、度々気柱共鳴現象が発生し振動と騒音が問題となる。本研究は、伝熱性能に優れた管群の一部において渦による吸音現象を利用して音響減衰を増加させ、気柱共鳴現象の発生を防止する新しい防止対策および設計法を開発することを目的とする。以下を明らかにする。(1) 音響管において渦流れによる吸音効果の増大および減少のメカニズムを解明する。(2) 管群からの渦放出音による音響励起力の増大と渦による吸音現象の関係を解明する。(3) 管群部における音響励起力と音響減衰特性をモデル化し、運動方程式を作成し安定判別を行い、防止対策の開発および設計法を構築する。本研究では、気柱共鳴現象と管群からの渦放出の挙動を同時計測できる実験装置を用いて、管抗力方向の管ピッチ比が小さくなると抗力方向モードが発生し易くなるが、管群本数が増加するにつれて、低次の揚力方向モードも発生することを明らかにした。管抗力方向の管ピッチ比が小さい場合には、既存のマップと一致しないため、渦放出周波数の予測式を新たに提案した。また、音響管を用いて多孔板の吸音性能に及ぼす流れおよび孔形状の影響を実験的に調査するとともに、流れの構造と吸音性能との関係についても検討した。流速の増加に対する吸音率の増加は、音響抵抗の増加が原因であり、吸音率のピーク周波数の変化は、孔を通過する流れによる位相のずれが原因であることが分かった。孔を通過する流速に比例して吸音率が増加する仕様の場合には、純音を入射すると，入射無しの場合よりも孔出口において規則的に渦が発生し、渦度が強くなった。吸音率が増加する原因は、入射音によって多孔板の孔出口で強い渦が生成され、音響エネルギーが消費されるためである。