高圧環境下において多孔体内の微小空間に生じる乱流燃焼現象の解明と学理構築

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本研究は,多孔体燃焼器や火炎阻止器の高効率/安全設計を目指し,高圧下の多孔体内微小空間に生じる乱流予混合火炎の燃焼機構を,平面誘起蛍光法(PLIF)を用いた局所火炎構造可視化実験と乱流燃焼直接数値シミュレーションを組み合わせ,相互補完を行いながら解明することを目的とする.本年度は,多孔体内OH-PLIF実験手法の確立及び直接数値計算コードの初期的開発・テストを目指した研究を行った.OH-PLIF実験については,まず先の研究で開発した2次元模擬充填層燃焼器に対して一部改造を加え,これに高圧燃焼容器とNd;YAG/DYEレーザー光学系を組み合わせることで高圧燃焼実験・計測系を構築した.構造固体表面でのレーザー乱反射が問題となったが,適切な干渉フィルタ及び画像処理によってノイズを低減出来た.続いて,多孔体内メゾスケール流路内の伝播火炎に対するOH-PLIF計測を試みた結果,大気圧下ではブンゼン型層流火炎が形成されるような予混合気流速においても,0.5MPa及び1.0MPaの高圧下では火炎面に流路幅より十分に小さい凹凸を有する乱流予混合火炎が形成されることが明らかになった.これらの結果は後に行う直接数値シミュレーションの妥当性評価を含む比較検討に用いる.直接数値シミュレーションについては,第1段階として燃焼反応を含まない圧縮性流体の支配方程式に対し,空間差分に6次精度コンパクトスキームを,時間項に2次精度アダムスバッシュフォース法を用いて離散化を行い,時間進展を行いながら解を求める計算コードを構築した.流入および流出境界にはNSCBC無反射境界条件を適用し,管内流れのような単純な流れに対して有効であることが確認出来た.一方で多孔体内のようなすべり無壁が随所に現れる複雑な流れ場に対しては,必ずしも有効に機能せず計算が最終的に発散し,境界条件に改良が必要であることが分かった.