Study on combustion limits using microgravity experiments towards the establishment of zero NOx and CO2 emission combustion technology

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今年度は対向流火炎の極低流速域において観察される球状火炎に着目した実験および数値計算を行った。実験ではCH4/O2/Kr（ルイス数0.7-0.8）およびCH4/O2/Xe（ルイス数0.5）混合気を用い、微小重力実験を行った。計算では、詳細化学反応機構を用いた一次元定常対向流火炎計算、一段総括反応機構および拡散・熱的モデルを用いた三次元および一次元半理論非定常計算を行い、実験結果と比較した。実験では、Xe混合気を用いた場合に多数の球状火炎が形成されるSporadic flameが低伸長率条件で観察されたが、Kr混合気を用いた場合はSporadic flameが観察されなかった。また、Sporadic flameが観察される領域では、実験で得られる燃焼限界がいちじげん定常対向流計算で得られるうものより低当量比に位置した。ルイス数によるSporadic flame形成の有無および燃焼限界の傾向を一段総括反応機構および拡散・熱的モデルを用いた三次元半理論非定常計算でも再現できた。拡散・熱的モデルの三次元半理論定常計算を用いて得たFlame ballのとSporadic flameの計算結果を比較した結果、反応帯近辺ではSporadic flameとFlame ballの火炎構造が良く一致することがわかった。よどみ面と平行方向におけるSporadic flameの大きさを計測し、Flame ballの大きさと比較した結果、Sporadic flameの大きさに対する当量比依存性は限界近傍におけるFlame ballの傾向と一致した。また、伸長率の減少とともにFlame ballへの大きさへと漸近することがわかった。これらより、Sporadic flameは通常の伝播火炎である対向流火炎と、Flame ballを接続する中間的な火炎形態であることが示された。