旋回流を用いた超希薄予混合燃焼の研究

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燃焼によるエネルギー変換は様々な場面で用いられており, より高効率かつ低環境負荷を実現できる燃焼技術の開発は, 今後ますます重要である。そのためには燃焼現象についてより深く理解することが必要である。そこで本研究では, 旋回流を利南した超希薄燃焼について数値計算および実験の両方から現象の解明を行うことを目指した。超希薄条件とは, 通常の希薄可燃限界よりもさらに燃料使用量め少ない場合のことであり, メタンあるいは水素を燃料にした場合について研究を進めた。一次元的に取り扱うことができる回転対向流双子火炎モデルを適用した詳細化学反応計算の結果, 超希薄条件において燃料が火炎面に対して対流に逆らって拡散によって輸送される「正味流束不均衡」が現れることを明らかにし, この現象は超希薄燃焼が実現するメカニズムの鍵となると考えられる。次元を拡張させた軸対称二次元旋回火炎においても正味流束不均衡を確認することができた。小さなコストで計算のできる回転対向流双子火炎を利用し, 圧力の影響を調査した結果, 高圧下ではより超希薄条件での燃焼が安定する可能性が示唆された。また, 数値計算で得られた結果の妥当性を検証するため, メタンおよび水素を燃料にした場合について旋回火炎の実験を行った。その結果, 超希薄条件の火炎を形成することができ, 定性的には数値計算と合致している。またレーザー誘起蛍光法によるOHラジカルの平面分布から火炎面の形状を得た。水素空気火炎については温度計測を行ったが, 火炎温度は断熱火炎温度(理論燃焼温度)を上回り, これは正味流束不均衡が起きているためであると考えられる。本研究を通して, 既燃ガスの逆流領域を有する超希薄燃焼の性質およびメカニズムが明らかとなった。