光学的計測による噴霧火炎の群燃焼機構の解明

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環境破壊を防ぐための低NOx燃焼技術,地球温暖化を防ぐための省エネルギ燃焼技術,航空機用を初めとする燃焼機器の高性能化のための高負荷燃焼技術の開発が急がれているが,依然として噴霧の燃焼現象には未解明の部分が多く,それが燃焼技術の系統的な開発を妨げている.例えば,バ-ナの噴流境界や還流領域周辺には巨大なコヒーレント渦と微小な三次元渦が共存し,噴霧油滴の運動や燃焼に影響を与えているが,コヒーレント渦が油滴の運動や空間分布に及ぼす影響を調べた理論的,もしくは実験的研究がいくつか発表されている程度で,渦の影響を受けながら燃焼する噴霧火炎の構造や燃焼機構を取り扱った論文ではほとんど見られない.渦の影響下に不均一構造をとる油滴群の燃焼はNOx生成や火炎の安定性に影響しないはずはなく,早急に解明する必要がある.そこで,以下の事項を遂行した.(1)現有の油滴ミ-散乱信号/火炎発光信号モニター装置を改良し,反射ミラー,光学的空間フィルターを用いることによって,色収差がなく全ての測定体積を厳密に一致させるうる光学系を設計・製作した.(2)火炎からのラジカル自発光,油滴ミ-散乱信号,油滴速度,油滴直径の計5信号の同時時系列データを測定し,統計解析を行うのではなく,フェイズドップラー流速計のデータを時系列解析し、火中の個々の油滴群(クラスター)に対する群燃焼数の見積もった.(3)YAGパルスレーザのシート状ビームと広波長域超高感度CCDカメラ,パルスディレイジェネレータ,光干渉フィルタ等を用いて,噴霧油滴のミ-散乱光像,ならびにOH,CH,C2バンドにおける噴霧火炎の単色発光画像を同時撮影するシステムを構築した.(4)アルゴンイオンレーザのシート光を噴霧火炎中に照射し,燃料噴霧からの散乱光を,超高速度カメラで撮影することにより,火炎中における燃料噴霧の断面像を連続的に可視化し,噴霧の群燃焼挙動の観察を行った.(5)(3),(4)で得られた画像をワークステーションで高速度で画像処理することにより,噴霧の数密度分布および速度場を解析した.それらの結果,燃焼中の油滴群に対する群燃焼数の実測に初めて成功し、本実験データから得られた群燃焼数の平均値をChiuらの群燃焼仮説による火炎形態の分類に対応させると,観察される燃焼状態と合致する結果が得られ,個々の油滴群の燃焼状態も,おのおのの群燃焼数に対応していることが明らかとなった.