高圧下の気流噴射弁噴霧形成メカニズム解明のための２次元ノズル開発と実験研究

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本研究は、ガスタービンエンジン等に用いられる気流噴射弁を模擬した2次元ノズルを開発し、高圧下における噴霧形成のメカニズムを解明する技術課題解決と実験研究を行うことを目的とした。本研究による噴霧形成メカニズムの知見は、気流噴射弁及びガスタービンエンジンの設計に重要な指針を与えるものである。本研究は、以下の方法で噴霧形成メカニズムを解明する技術開発と実験研究を実施した。1)水に増粘剤(ポリビニルアルコール)と界面活性剤を添加し、粘度と表面張力をジェット燃料と等しくした燃料模擬液を開発。2)気流噴射弁を模擬した2次元ノズルを3Dプリンターにより製作する技術開発と耐久性の評価。3)2次元ノズルを用いた0.7MPaまでの高圧下における燃料模擬液噴霧の高速度撮影による噴霧形成過程の解明。4)PDPA(Phase Doppler Particle Analyzer)計測による噴霧粒径の測定。5)液膜分裂過程における圧力の影響を明確にして、メカニズムを考察。3Dプリンターによる実験装置の製作は従来工作法と比較して精密性に劣るが、製作過程でX-Y平面となる面だけは充分精密であり、精度が実験に大きく影響する液出口がX-Y平面となるような姿勢で製作することで、液体を均一に噴射できる2次元ノズルの製作を可能とした。2次元ノズルを用いた燃料模擬液噴霧実験により、空気の慣性力に比べて液粘度が大きい場合、噴射された液膜、液柱は分裂しにくく、液糸が多くなり、液滴の粒径も大きくなるが、雰囲気圧力の増加により空気の慣性力が支配的になると分裂が促進されることが確認された。また、気流噴射弁の旋回流によるせん断力を模擬した交差流2次元ノズルは、模擬しない直流型2次元ノズルよりも噴霧の圧力依存性が気流噴射弁のものと近いことから、気流噴射弁において旋回流のせん断効果が微粒化過程に影響を与えていることが推測された。