大規模火災における熱放射予測の基礎研究-熱泳動現象に粒子形状が及ぼす効果-

大規模な火災が発生した際に、火炎から周囲に放射される熱輻射の強さを正確に把握することは、火災予防技術の観点から不可欠である。熱輻射には、燃焼により生じるスス粒子が決定的な影響を及ぼす。その挙動には熱泳動現象が強く影響しているが、定量的には不明な点が多い。特に、燃焼場のように温度勾配が大きく、粒子が非球形である場合の熱泳動現象については、十分な予測モデルがないだけでなく、データ自体がほとんどない。そこで本研究では、大きな温度勾配(数10K/mm)における熱泳動効果を調べ、この現象を実験的に明らかにすることを目的とする。初年度は、装置の制作と基礎データの収集を行った。円筒内を落下させて分粒する方法を採用して実験の精度の向上を図り、得られた実験結果を数値計算の結果と比較したところ、定性的に一致した。しかし一方では、温度勾配の高い条件でデータの精度が落ちることが課題となった。そこで2年目は、浮力に起因する自然対流の影響を排除して測定精度を向上させるため、微小重力での計測に取り組んだ。粒子吹き込みの時間や測定場の静定時間、計測時間などを見積もったところ、0.3s程度の微小重力環境が得られればよいことがわかったので、落下距離は1m程度とした。計測装置を積んだ落下ユニット、落下用の懸架台、懸架・切り離し装置、制動方法のそれぞれについて、検討・設計・製作を行った。完成した装置を稼働させて実験計測を行ったところ、微少な振動などの問題が解決できなかったものの、微小重力の環境をある程度作り出すことに成功し、温度勾配をかけないときに粒子が静止し、温度勾配をかけたときに粒子が移動する様子を観察することができた。

大規模な火災が発生した際に、火炎から周囲に放射される熱輻射の強さを正確に把握することは、火災予防技術の観点から不可欠である。熱輻射には、燃焼により生じるスス粒子が決定的な影響を及ぼす。その挙動には熱泳動現象が強く影響しているが、定量的には不明な点が多い。特に、燃焼場のように温度勾配が大きく、粒子が非球形である場合の熱泳動現象については、十分な予測モデルがないだけでなく、データ自体がほとんどない。そこで本研究では、大きな温度勾配(数10K/mm)における熱泳動効果を調べ、この現象を実験的に明らかにすることを目的とする。初年度は、装置の制作と基礎データの収集を行った。円筒内を落下させて分粒する方法を採用して実験の精度の向上を図り、得られた実験結果を数値計算の結果と比較したところ、定性的に一致した。しかし一方では、温度勾配の高い条件でデータの精度が落ちることが課題となった。そこで2年目は、浮力に起因する自然対流の影響を排除して測定精度を向上させるため、微小重力での計測に取り組んだ。粒子吹き込みの時間や測定場の静定時間、計測時間などを見積もったところ、0.3s程度の微小重力環境が得られればよいことがわかったので、落下距離は1m程度とした。計測装置を積んだ落下ユニット、落下用の懸架台、懸架・切り離し装置、制動方法のそれぞれについて、検討・設計・製作を行った。完成した装置を稼働させて実験計測を行ったところ、微少な振動などの問題が解決できなかったものの、微小重力の環境をある程度作り出すことに成功し、温度勾配をかけないときに粒子が静止し、温度勾配をかけたときに粒子が移動する様子を観察することができた。