粉塵爆発における火炎伝播メカニズム解明

微小重力実験の実施により、アルミニウム粉体の爆発下限濃度付近での実験が実施できた。その結果、微小重力場では粉体が沈降しづらくなり、通常重力実験における爆発下限濃度以下の濃度でも火炎が伝播することが確認され、粉塵爆発のリスクが高まることを示した。粉塵爆発下限濃度付近では粒子間の距離が大きくなるため、熱伝導の特性時間が長くなり、離散的な火炎伝播挙動になることが観察された。また、粒径が最小着火エネルギー（MIE）に及ぼす影響を調べた。アルミニウム粉体がマイクロサイズでは、反応律速となり、MIEが粒径の0.5乗に比例し、アルミニウム粉体がナノサイズでは、拡散律速になり、MIEが粒径の3乗に比例することがわかった。さらに、アルミニウム粉体-酸素-二酸化炭素混合気の爆発下限濃度を、酸素濃度を変化させて実験的に求めた。酸素濃度が大きくなるにつれ爆発下限濃度は小さくなることが分かった。アルミニウム粉体-酸素-窒素混合気と比較すると、酸素濃度10vol％で二酸化炭素混合気の燃焼限界が窒素混合気の爆発下限濃度より非常に小さい値になった。アルミニウム粉体-酸素-窒素混合物の燃焼では、酸素濃度、当量比の変化で火炎温度が低くなりにくいため、反応速度が遅くならず、低い酸素濃度でも燃焼することがわかった。さらに、詳細反応機構を考慮した一次元数値計算による反応解析を行った。酸素濃度と当量比が小さくなるにつれ、断熱火炎温度が下がる傾向になった。しかし、アルミニウム粉体-酸素-二酸化炭素混合気の断熱火炎温度アルミニウム粉体-酸素-窒素混合気に比べて酸素濃度、当量比の変化で火炎温度が低くなりにくいことがわかった。

微小重力実験の実施により、アルミニウム粉体の爆発下限濃度付近での実験が実施できた。その結果、微小重力場では粉体が沈降しづらくなり、通常重力実験における爆発下限濃度以下の濃度でも火炎が伝播することが確認され、粉塵爆発のリスクが高まることを示した。粉塵爆発下限濃度付近では粒子間の距離が大きくなるため、熱伝導の特性時間が長くなり、離散的な火炎伝播挙動になることが観察された。また、粒径が最小着火エネルギー（MIE）に及ぼす影響を調べた。アルミニウム粉体がマイクロサイズでは、反応律速となり、MIEが粒径の0.5乗に比例し、アルミニウム粉体がナノサイズでは、拡散律速になり、MIEが粒径の3乗に比例することがわかった。さらに、アルミニウム粉体-酸素-二酸化炭素混合気の爆発下限濃度を、酸素濃度を変化させて実験的に求めた。酸素濃度が大きくなるにつれ爆発下限濃度は小さくなることが分かった。アルミニウム粉体-酸素-窒素混合気と比較すると、酸素濃度10vol％で二酸化炭素混合気の燃焼限界が窒素混合気の爆発下限濃度より非常に小さい値になった。アルミニウム粉体-酸素-窒素混合物の燃焼では、酸素濃度、当量比の変化で火炎温度が低くなりにくいため、反応速度が遅くならず、低い酸素濃度でも燃焼することがわかった。さらに、詳細反応機構を考慮した一次元数値計算による反応解析を行った。酸素濃度と当量比が小さくなるにつれ、断熱火炎温度が下がる傾向になった。しかし、アルミニウム粉体-酸素-二酸化炭素混合気の断熱火炎温度アルミニウム粉体-酸素-窒素混合気に比べて酸素濃度、当量比の変化で火炎温度が低くなりにくいことがわかった。