保炎限界および燃焼速度に対するラジカル添加の効果

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本研究では、プラズマトーチにより供給されたラジカルによる着火・燃焼性向上の効果を調べるため、2次元の数値シミュレーション及び高温ガス供給器を用いた高温雰囲気下での着火実験を行った。数値解析においては、同じ投入電力に対してプラズマジェット噴射温度及びラジカル濃度の異なる酸素、窒素、アルゴンプラズマトーチについて比較を行なった。得られた結果によると、酸素プラズマトーチの保炎性能が最も高く、アルゴンプラズマトーチが最も低かった。酸素トーチの性能が高かったのはプラズマジェットの周りで純酸素燃焼に近い条件で燃焼が行われ、プラズマジェット自身が保炎器として働いたためであった。また、ラジカルを全く含まないアルゴンプラズマトーチの燃焼性能が最も低かったことよりラジカルが燃焼促進および燃焼領域の拡大に働いていることが確認された。しかし、保炎の可否はラジカルの有無よりも予混合気が高温領域に接触するか否かに強く依存することが分かった。実験においては空気主流温度を700Kまで上昇させて、その効果を調べた。得られた結果において、空気流温度の上昇は着火性を高くすることが分かったが、燃焼実験に先立って行ったプラズマジェットの分光計測では励起したラジカルからの発光領域は空気流温度の影響をほとんど受けなかった。ゆえに、主流温度の上昇による着火性の向上はラジカルの効果というより、むしろ温度の上昇による燃料のメタンの燃焼性向上によるものと考えられる。また、窒素プラズマと酸素プラズマの着火性の比較では酸素プラズマのほうがより着火性が高かったが、これは数値解析で示したように、酸素濃度の上昇の効果であると考えられる。