【研究領域課題番号】19H02076 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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．

【研究の社会的意義】

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．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,160千円 (直接経費: 13,200千円、間接経費: 3,960千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】17540349 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乱流 / 旋回流 / ヘリシティ / 変分解析 / 輸送抑制 / 乱流モデル / 実験データ解析 / 数値解析

【研究成果の概要】

ヘリシティ(速度と渦度の相関)概念を用いた変分解析を実行した。その結果、ヘリシティ一定という拘束条件の下で、平均流の渦の強さを極小にするような平均速度場の配位が、旋回乱流での平均場の配位とよく一致することがわかった。
さらに、角運動量の束縛条件も加味することで、平均主流が、旋回流とは全く逆の振る舞いを示す自軸回転円管乱流についても変分解析を導入することが可能であることを示した。これは、一見正反対の現象を、ヘリシティという統一的な視点から説明するものである。
ヘリシティは乱流場の大規模構造を決定するきわめて重要な物理量である。しかし従来、乱れ場のヘリシティを評価し、乱流モデルの計算を実行することは困難であった。この状況を打開するため、旋回乱流のこれまでの実験について詳細なデータ解析を行った。その結果、乱流の諸応力のうちヘリシティを生成するのに最も寄与の大きい項を特定することに成功した。これらの成果は、日本物理学会の第61回年次大会で発表された。
さらに、数値計算を困難にする元凶となっていた、円管軸付近の流れ場について物理的考察を加えて較正法を考察し、数値計算用のデータを整備した。
以上の成果に加えて、磁場を含むような流れ場中の乱流の特性を規定するクロス・ヘリシティ(速度と磁場の相関)の効果を調べ、エネルギーの等分配からのずれが、このヘリシティで説明できることを初めて示した。この成果は、2006年5月合州国地球物理連合主催の西太平洋地球物理会議(Western Pacific Geophysics Meeting)で招待講演として発表された。また2006年7月の乱流の国際会議(IUTAM Symposium on Computational Physics and New Perspectives in Turbulence)で紹介された。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2006

【配分額】2,900千円 (直接経費: 2,900千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】11305017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

数値流体力学 / 燃焼流れ / 乱流 / ラージ・エディ・シミュレーション / 層流火炎片(フレームレット) / SGSモデル / 吹き上がり火炎 / ガスタービン燃焼器 / 数値解析 / ラージ・エデイ・シミュレーション / 予混合火炎 / バーナ火災 / 画像処理計測 / ダイナミックSGSモデル / バーナ火炎 / 燃焼流 / 画像計測 / PIV / 火炎モデル

【研究成果の概要】

本研究報告書では、発電プラントや産業用ガスタービン等の燃焼器を対象にLESを基礎とする数値解析モデリングを確立して合理的な設計法として導入を図ることを目的として実施した研究成果を報告する。まず、乱流と燃焼反応の干渉について、乱流中においてシート状の層流火炎片(Flamelet)を仮定した乱流燃焼モデルのLESへの適用法を述べる。従来、主に統計平均モデルで検討されてきた単純火炎に対するモデルをLESに適用してSGSモデルの定式化を示したのち、予混合火炎、拡散火炎およびそれらの混合する複合火炎へ適用した。また、ダイナミックSGSモデルに基づく改良や、LES結果に基づくNO等の生成予測法の開発、液滴粒子を含む燃焼火炎への拡張について述べる。次に、燃焼流れにおけるLES計算方法について、従来研究に基づく複雑形状乱流場の高精度解析法やダイナミックSGSモデルの定式化を示し、また、新たな成果として、スカラー量拡散のモデル化に対して速度場との相似性を用いない非平衡モデルの提案、時間平均モデルを導入した壁面境界条件の近似、流入変動の影響の導入方法について報告する。LESモデルの検証に供しうる乱流の非定常性や瞬時分布に関しての実験データは少ないため、本研究では可視化画像による熱流動計測技術を活用して特にスカラー量拡散および燃焼火炎の解析方法を開発した。また、DNSデータに基づく乱流渦構造の解析を行い、乱流LES解析の基盤データとした。これらの成果を総合して現実の燃焼器設計を想定した乱流燃焼火炎のLES解析法を構成した。対象として、予混合火炎が主体のガスタービン燃焼器における火炎伝播や、拡散火炎が主体のバーナー燃焼器における火炎吹き上がりなどの検証解析結果を示すとともに、従来の設計法などと照らしてその工学的な有用性を評価した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】41,460千円 (直接経費: 39,000千円、間接経費: 2,460千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】04452139 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

乱流数値解析 / ラージ・エディ・シミュレーション / サブグリッドモデル / 一般座標系 / 有限要素法 / 速度境界条件 / 平面乱流噴流 / バックステップ流れ / Dynamic SGSモデル / 流出速度境界条件 / 流れの画像表示 / 数値解析 / 数値流体力学 / 乱流 / ラージエディシミュレーション / 乱流モデル / 境界適合座標 / 境界条件 / 剥離

【研究成果の概要】

ラージ・エディ・シミュレーション(LES)は、これまで主に乱流構造の基礎研究のための数値解析法として比較的単純な流れ場に適用されてきた。しかし、計算機ハードウェア性能の向上によって、これまで以上に詳細な解析が可能となったため、乱流の基礎研究においてはLESにかわって近似モデルを用いない直接シミュレーション(DS)が試みられつつあり、LESに対してはDSを適用できない複雑な流れ場の解析手段としての有用性が注目される。そこで、本研究ではLESを工学における複雑な乱流場に適用する際の課題について検討して基礎的な数値検証を行うとともに、比較的複雑な流れ場へLESを適用して工学的有用性を検証した。基礎的課題としては、LESで用いられる空間フィルタおよびサブグリッド(SGS)モデルの検討、特に複雑な乱流場解析に適すると考えられるDynamic SGSモデルの定式化と基礎的な数値検証、壁面における近似速度境界条件の検証、流出速度境界条件および圧力境界条件の検討と数値検証、一般座標系格子におけるLESの精度検討、有限要素法(FEM)による定式化と基礎的な数値検証を行った。工学的流れ場への応用例として、平面乱流噴流およびバックステップ流れのLES結果を示し、前述の基礎的研究成果も踏まえて、境界条件、計算格子などの影響やSGSモデルの適用性について検証した。統計量や乱流構造は工学的に十分な精度で予測されており、乱流モデル検証に有用なデータベースが得られた。また、これらの数値検証を効率的に行うために3次元非定常流れ場の画像表示手法を活用したほか、一部の解析結果についてはアニメーション表示の事例も示した。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】7,100千円 (直接経費: 7,100千円)