Development of Engineering Estimation Model on the Critical Condition for Ignition of Flowing Premixed Flammable Mixture by Heated Surface based on Academic Investigation

本研究は高温熱線，ホットプレート，たばこなど一定のパワーで加熱される熱面による，流動可燃性予混合気の着火現象に注目し，その臨界条件の定量的予測を可能とする学術的モデルの構築を目指すものである。研究は大きく①着火の成否を分ける臨界の熱流束値を定量予測できるモデルの開発，②着火遅れ時間及び臨界着火温度の定量予測モデルの開発，③多様な流れ場及び加熱面形状の着火問題への拡張，の3つのサブテーマで構成している。2022年度はこのうち主に①及び③について，実験・数値シミュレーション及び理論解析を駆使してその解明に取り組んだ。具体的には，従来使用していたセラミックヒーター（25mm四方，厚さ1.75mm）の正方形面が流れに平行になるように配置を変更し，濃度及び流速をさまざまに変化させた着火実験を実施した。その結果，着火臨界となる熱流束は従来の配置に比べて若干大きくなるが，依然として着火は熱面の後流側で生じることを明らかにした。これらの結果と，前年度までに取得していたデータを合わせ，次元解析によって着火臨界条件を支配する無次元数を導いた。さらに，実験結果からの類推により，熱面から供給されるパワーのうち着火に有効に寄与する割合が存在すると仮定して，これを表現できる変数をモデルに導入したところ，自然対流，強制対流の場合を問わず臨界着火熱流束を良好に予測できた。このことは，逆に加熱パワーが既知となれば（すなわち高温熱面の駆動電力が分かれば）着火温度を予測できることも示している。これらの成果は国際火災学会（IAFSS2023, つくば）にてFull Paper審査を経て口頭発表に採択された。

本研究は高温熱線，ホットプレート，たばこなど一定のパワーで加熱される熱面による，流動可燃性予混合気の着火現象に注目し，その臨界条件の定量的予測を可能とする学術的モデルの構築を目指すものである。研究は大きく①着火の成否を分ける臨界の熱流束値を定量予測できるモデルの開発，②着火遅れ時間及び臨界着火温度の定量予測モデルの開発，③多様な流れ場及び加熱面形状の着火問題への拡張，の3つのサブテーマで構成している。2022年度はこのうち主に①及び③について，実験・数値シミュレーション及び理論解析を駆使してその解明に取り組んだ。具体的には，従来使用していたセラミックヒーター（25mm四方，厚さ1.75mm）の正方形面が流れに平行になるように配置を変更し，濃度及び流速をさまざまに変化させた着火実験を実施した。その結果，着火臨界となる熱流束は従来の配置に比べて若干大きくなるが，依然として着火は熱面の後流側で生じることを明らかにした。これらの結果と，前年度までに取得していたデータを合わせ，次元解析によって着火臨界条件を支配する無次元数を導いた。さらに，実験結果からの類推により，熱面から供給されるパワーのうち着火に有効に寄与する割合が存在すると仮定して，これを表現できる変数をモデルに導入したところ，自然対流，強制対流の場合を問わず臨界着火熱流束を良好に予測できた。このことは，逆に加熱パワーが既知となれば（すなわち高温熱面の駆動電力が分かれば）着火温度を予測できることも示している。これらの成果は国際火災学会（IAFSS2023, つくば）にてFull Paper審査を経て口頭発表に採択された。