Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

燃焼騒音 / 希薄予混合火炎 / 旋回火炎 / 水素燃焼 / 乱流 / 壁面 / 計測 / 数値シミュレーション / 予混合火炎 / 実験 / 数値解析

本研究では，精巧な実験と高精度の数値解析を併用することより，燃焼騒音の発生・変調メカニズムを，特に壁面の影響に着目して明らかにすることを目的とした．本研究により，騒音スペクトルの音圧レベル(SPL)のピークは，壁面を設置することにより不明瞭になり，その特性が壁面と火炎の距離に応じて変化することが分かった．また，この変化が壁面と接触することにより火炎形状が変化し，火炎から直接放出される音波の特性が変化することや，その火炎から直接放出された音波が壁面反射波と干渉することに起因することを明らかにした．さらに，開発した数値解析手法が燃焼騒音特性に及ぼす壁面の影響を精度よく予測可能であることを示した．

燃焼騒音に関する研究の歴史は古く，数多くの研究が存在するが，そのほとんどは火炎から直接発生する直接燃焼騒音に関するものであり，壁面や周囲乱流渦等の外的因子の影響を受けて変調する間接燃焼騒音に関するものは極めて数少ない．本研究は，間接燃焼騒音の中でも特に取り扱いが困難な壁面の影響に着目し，そのメカニズムの一端を明らかにしたものであり，学術的意義は極めて高い．また，本研究において確立した数値解析手法は，様々な燃焼機器から生じる燃焼騒音，ひいては燃焼振動の特性を高精度に予測可能であり，脱炭素社会の実現につながる水素燃料利用促進技術の開発にも大いに役立つことが期待できるため，本研究の社会的意義も高い．

界面活性剤 / 上昇気泡 / マランゴニ効果 / 終端速度 / 実験 / 超純水 / 数値解析 / 吸着モデル

気体二相流動にとって,気液界面における質量,運動量,エネルギーの輸送現象は,最も基礎的な現象であり,界面の状態により大きな変化をみせる.例えば,液体中に多くの気泡を含む気泡流の場合,界面活性剤の混入により,気泡同士の合体が妨げられたり,気泡の上昇速度が減少することにより,流動構造全体に大きな影響を与えることが知られている.本研究では,これらの知見に基づき,液中に存在する界面吸着物質の濃度と表面構造の関係の解明,さらに,物質濃度の違いがマクロな流動へ与える影響に対する定量的解析を目的とし,超純水,既知濃度の界面活性剤混入水を用いた単一上昇気泡の挙動を調べる実験およびNS方程式を基礎方程式とした数値計算による界面活性剤の気液二相流動に与える影響のシミュレーションを行った.
実験では,超純水中において理論的に導出されるレイノルズ数と抵抗係数の関係が再現され,また,10^<-5>Vol%の3-ペンタノールの混入で,単一気泡の終端速度が有為に低下することが観察され,界面活性剤の影響が調べられた.
また,数値計算においては,変形を伴わない球形気泡に対して,Henry型とLangmuir型の吸着モデルを用い,界面に沿う直交曲線座標系による解析を行い,界面活性剤の濃度と気泡に働く抗力の関係について解析した.計算結果より,微量な界面活性剤の混入においても,界面吸着物質のもたらすマランゴニ効果により気泡に働く抗力が著しく増加する可能性があること,気泡径が等しく終端速度が同じ場合,レイノルズ数が高いほどマランゴニ効果が大きくなることなどが示された.また,純水中とは異なり,マランゴニ効果により気泡後部に2次渦を伴う剥離渦が形成される様子がシミュレートされた.

拡散火炎 / 境界層燃焼 / 触媒 / 火炎構造 / 安定機構 / 実験 / 数値解析 / 安定性 / 壁面温度分布 / 火炎基部

層流平板境界層内に,平板の一部を多孔質板とし,その多孔質板より燃料(メタン・窒素混合気)を一様に吹き出すことにより形成される拡散火炎を対象に,その安定性に及ぼす多孔質板の触媒性の影響および燃料希釈の影響について検討を加えた.多孔質板として触媒性を有する板を用いた場合,触媒性を有しない場合に比べて,よりメタン濃度の低い燃料まで安定な火炎を形成することができ,触媒を用いることにより安定性を向上させることができる.また,多孔質板表面温度を高く(低く)すると安定限界時のメタン濃度は低下(増加)し,安定性は向上(低下)する.このことは,火炎安定性には壁面への熱損失が重要な役割を演じていることを示している.触媒性多孔質板を用いると安定性が向上するが,これは,火炎基部近傍の触媒表面での燃料と酸化剤のとの反応により多孔質板温度が上昇し,その結果火炎基部空の熱損失が減少したためであると考えられる.また,数値解析により,火炎構造に検討を加えた.火炎モデルとして,火炎面モデル,一段総括反応モデル,二段簡略反応モデルを用いて計算を行った結果,火炎位置,火炎温度などについて二段簡略反応モデルの場合にもっとも実験結果に対応する結果が得られた.しかしながら,実験では不安定状態になる条件においても数値解析的には安定な火炎が得られ,不安定状態は得られなかった.このことは,解析の際の火炎基部近傍の格子点の間隔などによるところが大きいと考えられ,今後,実験,理論両面からのさらに詳細な検討が必要であることがわかった.

【研究分担者】
立花繁	国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構	航空技術部門	上席研究開発員	(Kakenデータベース)
横森剛	慶應義塾大学	理工学部(矢上)	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
松井純	横浜国立大学	工学部	助教授	(Kakenデータベース)
高木周	東京工業大学	工学部	助手	(Kakenデータベース)
中別府修	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
市川保正	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)
丸山茂夫	東京大学	大学院・工学系研究科	助教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
植田利久	慶應義塾大学	理工学部	助教授	(Kakenデータベース)