レーザ螢光法による燃焼反応速度の測定とそのストキャスティツク・モデリング

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互いに反応性をもつ二つの物質が乱流場に予混合の無い状態で供給される場合の混合反応機構を解明することは、乱流拡散燃焼の機構の解明と燃焼速度の評価を行うに当たって重要である。しかし、この混合反応現象を解明するに当たり問題となるのは、二成分反応物質の瞬間濃度の連続同時測定が難しいため、混合反応機構の解明や、そのモデル化に欠かせない濃度統計量の情報が制限されていることである。本研究では、この濃度統計量の測定をレーザ螢光法を用いて行い、その結果を基にして、乱流場での混合反応機構の解明を試みてきた。本年度は、火災のように拡散律速の極限として、しばしば、考察対象になるfast chemistryの(反応速度定数が無限大に近い反応)乱流場合で、濃度統計量の測定を行い、確率過程に基づいたストキャスティックモデルとの比較検討を行った。実験は、予混合の無い状態にある酸とアルカリ溶液の間の瞬間二次反応を伴う格子乱流場で、レーザ螢光法と電気伝導度法を用いて二成分反応物質の瞬間濃度の連続同時測定法する方法を世界に先駆けて開発し、その方法を用いて濃度統計量の評価と混合反応機構の考察を行った。その結果、次のことが明らかになった。(1)予混合されていない二成分(酸ーアルカリ)の流体層からなる瞬間反応を伴う剪断力のない格子乱流場での反応は、初期領域で急速に進行し、下流領域に行くに従い遅くなる傾向にある。また、二層流れの中心面で主に反応が進むため、反応物の時間平均濃度や濃度変動強度は断面中心に対して非対称性を示す。さらに、下流領域では反応物の濃度変動強度の減衰傾向は、自己相似性が成立する反応の無い場合の減衰傾向とは大きく異なり、減衰速度がかなり弱まる。(2)瞬間反応を伴う格子乱流場での実験結果をストキャスティツクモデルは定性的によく説明することができる。