Joumalo f t h eC o m b u s t i o nS o c i e t yo fJ a p a n Vo . I44N o .1 2 7( 2 0 0 2 )5 8 6 6 日 本 燃 焼 学 会 誌 第 44巻 1 2 7号 ( 2 0 0 2年) 5 8 6 6 ゅ原著論文/ ORIGINALPAPER 岬 高温・高圧下における H2/02/He予混合火炎の層流燃焼速度に関する研究 A Studyo fLaminarBurningV e l o c i t yf o rH2/02/HePremixedFlamesa tHighPressureand HighTemperature 大 上 泰 寛 1*. 小 林 秀 昭 2 * OGAMI, Yasuhiro1 andKOBAYASHI, Hideaki2 i 東北大学大学院工学研究科 〒 9 8 0 8 5 7 7仙台市青葉区片平2-]-] I n s t i t u t eo fF l u i dS c i e n c e, TohokuU n i v e r s i t y, 2 1 ]K t a h i r a, A o b a k u, Send 出 , M i y a [ ; i9 8 0 8 5 7 7 , J a p α n “ 2 東北大学流体科学研究所 〒 9 8 0 8 5 7 7( t i J台市青葉区片平 2-]-] I n s t i t u t eo f F l u i dS c i e n c e, TohokuU n i v e r s i t y, 2 1 1K a t a h i r a‘Aobαk 弘 、 S end 田 , M i y a [ ; i9 8 0 8 5 7 7 ‘J apan 2 0 0 1年 1 2月26日受付;2002年 l月 1 0日受理 /Received26December2 0 0 1 ;A c c e p t e d1 0J a n u a r y2002 A b s t r a c t:Experim 巴n t a la n dn u m e r i c a ls t u d i e sonl a m i n a rbumingv e l o c i t i e so fas t o i c h i o m e t r i cH 2 / 0 2m i x t u r巴 , w hichwas d i l u t e dbyh e l i u mi no r d e rt oe xc Iu d ef Iamei n s t a b i l i t i 巴s ,w erep e r f o r m e di nt h ep r e s s u r er a n g eo f0 . 1t o1 . 0MPaa n di nt h e p r e h e a t e d m i x t u r et e m p e r a t u r 巳r a n g eo f300t o500K .M e a s u r e m e n t so fl a m i n a rbumingv e l o c i t i e swerec o n d u c t e dbya 巴 w hichm e a s u r e st h ei n s t a n t a n e o u sl o c a lbumingv e 1 0 c i t yu s i n gp a r t ic Iet r a c k i n gv e 1 0 c i m e t r y(PTV)a n dp l a n a r t e c h n i q u Iu o r e s c e n c e( P L I F )s i m u l t a n e o u s 1 yf o rb u m e r s t a b i 1 i z e df Iamesi nah i g h p r e s s u r echamber .E x p e r i m e n t a l l a s e ri n d u c e df r e s u 1 t swerecomparedw i t hn u m e r i c a lr e s uI tso b t a i n e dc o n s i d e r i n gsomee x i s t i n gd e t a i l e dr e a c t i o nmechanisms,a n dt h e v e r i f i c a t i o no fr e a c t i o nmechanismswasp e r f o r m e d .A m o d i f i c a t i o no ft h er e a c t i o nmechanismwasa l s oc o n d u c t e du s i n gt h e mechanismo fA l l e ne ta . Ia sas t a r t i n gmechanismf o rt h ea p p l i c a t i o ni nh i g h p r e s s u r ea n dh i g ht e m p e r a t u r ec o n d i t i o n,a n d t h em o d i f i e dmechanismwasi ngooda g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a ld a t ai nt h ep r e s s u r ed e p e n d e n c yo fl a m i n a rbuming v e l o c i t y e m p e r a t u r e,Laminarb u r n i n gv e l o c i t y,PLIF,PTV,R e a c t i o nmechanism KeyWords: Highp r e s s u r e,Hight 1 . 緒言 て火炎面に変化が生じやす いよ うな条件下では,火炎を観 察しながら測定を行うといった手法が望ましい. 層流燃焼速度は燃焼現象の解明およびその解析において 著者らは近年, これらの問題を解決する新たな手法とし 最も基本的な特性値の一つである.水素火炎の燃焼速度は, て,粒子追跡速度計(円V) と瞬時 Schlieren画像を利用し ]が,主に常 多 くの研究者によって研究が行われてきた[ト 8 9 ] . この手法はパーナ上 た層流燃焼速度測定法を開発した [ 温,大気圧下で行われてきたものであり,高温・高圧とい に定在化された火炎に対し, PTVから得られる火炎全域の ったような特殊な条件下におけるデータは限られたものと 速度分布と, Schlieren画像から得られる火炎面位置情報を なっている.また,それらのほとんどは球形定容器法を用 用いて,局所的に角度法を行って燃焼速度を求めるもので いているが,高圧において圧力依存性に関して互いに矛盾 あり,測定中の火炎の観察も比較的容易に行う ことができ する結果も報告されている [ 7, 8 ],球形定容器法には燃焼過 る.また,高圧下で R巴ynolds数の増大を抑え るために小さ 程が非定常で、あること,燃焼時聞が非常に短いこと,容器 なパーナを用いなければならない状況でも,局所燃焼速度 内の圧力が測定中に変化することなどの問題点が存在す を測定できる本手法は境界層の影響を少なくす ることがで る.また,測定中の火炎観察が困難で、あり,火炎面の状態 きる.本手法は高圧における H2/Air予混合火炎の層流燃焼 を把握しにくい.特に高圧のように,固有不安定性によっ 速度の測定に用いられた [ 1 0 ]が,その圧力範囲は 0. 4MPa 以下に止まっている.これは高圧において火炎に不安定性 *Correspondingauthor .E m a i l: ogami@f Iamei .f s. to h o k u . a c j . p . が発生 し,火炎に激しい変形と振動が生じたためである. このような状況下では,局所燃焼速度は火炎面に沿っ て変 ( 5 8 ) 大上泰寛ほか,高温・高圧下における H 2 / 02 /He予混合火炎の層流燃焼速度に関する研究 化することが予想され,層流燃焼速度の測定に適した条件 59 火炎面を通過する際に生じる熱膨張によって引き起こされ であるとは言えない.即ち,高圧における燃焼速度測定に [ 1 4 ] . ほとんどの混合気は無条件に不安定となるが,層流 は,火炎の不安定性を排除することが不可欠である.固有 燃焼速度が減少すると Darrieus-Landau不安定性は弱まる 不安定性は Darrieus-Landau不安定性と熱・物質拡散効果と [ 1 5 ] . 一方,熱・物質拡散効果は,混合気の Lewis数の大 して知られており,高圧においてはほとんどの予混合火炎 :熱拡 きさによ ってその傾向が変わる .Lewis数(=aJD,α に作用する.そのため,高圧において,安定な火炎に対す 散率 る層流燃焼速度の測定は 一部の限ら れた条件に対してのみ 散効果は Darrieus-Landau不安定性を助長するが. Lewis数 可能であり,その他の条件については数値計算によって層 が l より 大 きいとき, 熱・物質拡散効果の火炎安定化作用 流燃焼速度を推定する方法を取らざるを得ない. により Darrieus-Landau不安定性は抑制される [ 1 4 ] . そこで D:物質拡散係数)が lより小さいとき,熱・物質拡 近年,層流火炎の数値計算は比較的容易になされるよう I ' 02混合気をヘリウムで希釈 本研究では,当量比1.0の H2 になってきたが,基となる詳細反応機構は,層流燃焼速度 することにより,混合気の Lewis数を増大させた.ヘリウ 1 1 1 3 ] . その検証 などの実験データを元に修正されてきた [ ムは熱拡散率が大 きく. Lewis数を増大させる効果が強い. は,主に常温,大気圧下で行われてきたが,実用高負荷燃 2 / 0 2混合気の場合, ヘリウム希釈率が 0%のとき,即ち. H 焼器に近い条件下で利用可能な反応機構とするためには, . 6 ) .し 酸素,水素の Lewis数は共に lよりも大きい(共に 1 高温 ・高圧といった環境における実験データを用いた反応 n Is 以上で,断熱火炎温 かし , このとき層流燃焼速度は 10r 機構の検証およびその開発が不可欠である.しかしながら, 度も 3000K を上回り,実験には適していない.ヘリウム 現状では高温・高圧下における実験データは十分とは言え 希釈率が増大していくにつれ,水素の Lewis数は一旦. 1 ず,実験データの蓄積と反応機構の検証が望まれる.本研 以下に減少する.その後さらに希釈率を上げていくと水素 究は,以上のような背景に基づいて行われた. のLewis数は再び l以上となる.本研究では,ヘリウム希 高温・高圧下において層流燃焼速度の測定を行うに際 2 / 0 2 / H巴混合気を用いて実験を行った.この 釈率 82%の H 9 ]に対して 三つの 改良を加 し. PTV を用いた従来の方法 [ W1S 数は酸素,水素でそれぞれ 2 . 0 7 . 1 .06であり, とき L巴 I ' 02混合気の希釈である. えた .第ーは,ヘリウムによる H2 a r r i e u s さらにヘリウム希釈により層流燃焼速度が減少し D ヘリウムは温度拡散率が大きいことから. Lewis数を増大 Landau不安定性も弱まることから,高圧において不安定性 さ せ る 効 果 が 強 い . Lewis数 が l よりも大きいとき, の抑制が可能であると考えられる.予熱混合気に対しては, D a r r i e u s L a n d a u不安定性は熱・物質拡散効果によって抑制 混合気の Lewis数は熱拡散率の増加によって更に大きくな され,火炎は安定化される.よって,ヘリウムによる混合 り,安定した火炎が得られると予想される.また,動粘性 気の 希釈は,高圧において火炎の不安定性を抑制する効果 y n o l d s 係数の増加によって,層流燃焼速度の増大による R巴 を持つ.第二 の改良として,矩形ノズルパーナを用いた. 数の増大は低く抑えられるため,乱流遷移を避けることが 円形ノズルパーナを用いた場合,火炎面には曲率が存在す 可能である.尚,全実験条件を通しての Reyno1ds数の最大 ることが避 けられないが,矩形ノズルパーナでは曲率を排 値は 1900(1 .0MPa,500K)であり,これは矩形パーナにお 除することが可能である.特に,希釈によって火炎厚さが いて乱流に遷移するといわれる Reynolds数 (2200) よりも 培加しているような状況では,矩形パーナは効果的である. 小さし人 第三の改良点は,火炎面の可視化のために用いていた 2 . 2 . 実験装置 S c h l i e r e n法に変え,レーザー誘起蛍光法 ( P L lF )を用いた点 図 lに実験装置の概略図を示す.実験には内径 150mm. lF は PTV と同時に使用することが比較的容易 である. PL である上. 2枚のレーザーシートを重ねることにより,同 高さ 1050m mの高圧燃焼容器を用いた.高圧容器には, 一平面上において測定を行うことができ る.これらの改良 ノqーナ下方から常に加圧用空気が供給されており,容器内 を行った測定法を用いて 高温・高圧下における当量比 の圧力は,圧力センサーの値をもとに排気パルプの開度を 1 .0の H 2 / 02 l 'He予混合火炎の層流燃焼速度を測定し た.さ 調整することにより一定に保たれる.容器内にはパーナが らに,測定結果と詳細反応機構を考慮した数値計算結果と 設置されるが,本研究では火炎の曲率を排除するため,矩 比較を行い,高温・高圧条件下における反応機構の検証を 形ノズルパーナを使用した.パーナ出口寸法は,大気圧に 行った.最後に,本研究における測定データを数値計算に 8m m X 1 5 近い条件においては出口寸法の大きなパーナ ( よって再現できるよう,反応機構の改良も試みた. mm)が,また高圧においては不安定性の抑制と Reynolds数 の増大を抑えるため小さなパーナ (4mmx15mm,または 4m m X 1 0mm)が用いられた.高圧容器直前の流路にはヒ 2 . 実験装置および数値計算方法 ータ が設置されており,混合気の予熱および温度調節に用 いられる.混合気温度は,パーナ出口から 5cm上流に設 2 . 1 . 不安定性の抑制 前述したように,高圧において,火炎は Darrieus-Landau 不安定性と熱・物質拡散効果として知られる固有不安定性 置された熱電対によって測定された.尚,混合気温度の誤 差は,全実験を通して:t5Kである. 本研究では,火炎の速度場の計測には PTVが,また火 の影響を強く受ける. Darrieus-Landau不安定性は混合気が ( 5 9 ) 60 日本 燃 焼 学 会 誌 第 4 4巻 1 2 7号 ( 2 0 0 2年) 炎面の検出には OH-PLIFが用いられた. PTVにはダブル 後述するように,近年報告された新しい反応速度定数のデ u r e l i t e1 1 0 )を用しミ パルス Nd-YAG レーザー (Continum,S ータを良く反映しており,本研究で用いることとした.尚, 0 0 た. Nd-YAG レーザー光は 2つのレンズによって厚さ 1 ヘリウムについて再結合反応の衝突効率に関するデータは μm以下のシート状に変形され,火炎の中心面に照射され いずれの文献にも存在しないため,熱化学的に物性の近い る.また, OH-PLIFには Dye レーザー (Lumonics,HD- アルゴンの衝突効率を用いて計算を行った.これは Kwon 500B+HT1000)を用いた. Dyeレーザ一光は Nd-YAG レー ら[ 2 1 ]が行った手法と同様のものである.その他の反応機 ザ一光と同様にシート状に変形された後, Nd-YAG レーザ 構[ 1 2, 1 3, 2 2 ]も検討を行ったが,その中で A l l巴n ら[ 1 8 ]の反 一光に重ねられ火炎中心面に照射される. Dye レーザーの 応機構を用いた結果が本実験結果に最も近か ったこと,ま 発振は,二つの Nd-YAGレーザ一発振の中間において行わ た他の反応機構は第三体としてのアルゴンに ついてのデ← れる.混合気中に混入された Si02粒子による Mie散乱光 l l e nら タを含んで、いないなどの理由から,本論文 で は A および OH ラジカルによる蛍光は,それぞれ CCDカメラ [ 1 8 ]の反応機構をベースとして用いることとした.また, (Kodak, MegapulusEs1 .0 ;1 0 0 8x 1014p i x e l s )および ICCDカ a l l o f f特性 [ 2 3 ]を 高圧下での数値計算においては素反応の f P r i n c e t o nI n s t r u m 巴n t s,ICCD576/RB-T;576x384p i x 巴I s ) メラ ( 考慮する必要があるが,本研究における圧力範囲では重要 によって撮影された. でないと考えられることから,ここではその影響を考慮、し ていない. 2 . 3 . 数値計算方法および反応機構 詳細反応機構を考慮した一次元平面火炎の数値計算は 3 . 結果および考察 CHEMKIN-II[16]および PREMIX[17]を用いて行った.詳細 反応機構は A l l e n ら[ 1 8 ]の反応機構と, GRI-Mechv e r s i o n 3 . 1 . 高圧における火炎の観察 2 . 1 1 [ 1 9 , ] GRI-Mechv e r s i o n3 . 0 [ 2 0 ]中の水素と酸素に関する 図2 ( a ),( b )に高圧における当量比1.0の H 2 / A i r,および . 1 1, 3 . 0は , 反応を抜き出したものを用いた. GRI-Mech2 H2 i 02/He予混合火炎(ヘリウム希釈率 82vol.%)の S c h l i e r e n それぞれメタン,プロパン用に開発 されたものであるが, 画像を示す.尚, H 2 / A i r予混合火炎は出口径 4m mの円形 冨 Handv a l v e P e r s o n a lcomputer +lm Highp r e s s u r e co円 mbustion chamber ICCDcamera lF f o rPL M i r r o r M i r r o r Oxygen,Helium_ Si02p a r t i c l e ー ム Heater F i g . 1 S c h e m a t i cd i a g r a mo fe x p e r i m e n t a ls e t u p ( 6 0 ) 大上泰寛ほか,高温・高圧下における H2/0dHe予混合火炎の層流燃焼速度に関する研究 6 1 〆骨・包 L自 ( 品 } Fi g .2 l n s t a n t a n e o u sS c h l i e r e np h o t o g r a p h so ft h ef l a m ea th i g hp r e s s u r e :( a )H2 ia i r ,P=O. 4MPa ,To=300K ;( b )H2 i 02 iHe,P=I .OMPa ,To=300K, H巴=82v o. l% ノズルパーナを, Hy02/He予混合火炎は 4mmx 10mmの 0. 1' " ' '1 . 0MPa,混合気初期温度 3 0 0 ' " ' ' 5 0 0Kの範囲内で行 矩形ノズルパーナを用いた結果である. HyAir予混合火炎 われたが,いずれの実験条件においても不安定性の影響を の場合(図 2 ( a ) ),パーナ寸法が小さいにもかかわらず,圧 受けない,安定した火炎が観察された.そこで, この混合 . 4MPaにおいて火炎に激しく不安定性が作用している 力0 気 (H2/02/He,He= 82vol .%)を用いて,層流燃焼速度の測 ことが分かる.矩形ノズルパーナを用いた場合,火炎のス 定を行った. ケールが増大することにより火炎はより不安定となり易い 3 . 2 . 層流燃焼速度の導出 ( b ) )では圧力1.0MPaにおい が , Hy02/He予混合火炎(図 2 ても火炎面に不安定性の影響は見られず,不安定性が効果 PTVを用いた層流燃焼速度の測定法は著者らの過去の論 的に排除されていることが分かった. H2/Air混合気の水素 文[ 9 ]中に詳しく記述されているため,ここでは簡単に述べ の Lewis数は 0 . 6であり,さらに,層流燃焼速度は 2r n I s る. まず,タeプ、ルパルス Nd-YAG レーザーと CCDカメラ と HyOyHe火炎の 2倍の大きさであることから, H2/Air予 によっ て Si02粒子に対する 2枚の Mie散乱光画像が撮影 混合火炎では不安定性が激しく作用したものと考えられ される. 二値化処理した Mie散乱光画像に対し, PIV解析 ( b )において,火炎が二重に見えるのは,矩形ノ ズ る.図 2 ソ フト ルパーナにおける火炎形状の影響である. S c h l i e r e n法では, Tracking処理を行うことにより,火炎断面全域における瞬 (AEAT巴chnology,V i s i f l o w )を 用 い て ノT ーナの長手方向の影響を受け易いことから,本研究にお ( a ) ) .この速度ベ ク 時速度ベクトルの分布図が得られる(図 3 P a r t i c l巴 トル分布図から補間法により粒子の流跡線を計算する. いては OH-PLIFを用い るこ ととした.火炎の観察は圧力 ~ 、 ー 450 400 2E)dbEEPEERE﹂ 000000 5 02 52 01 51 0 33 ( E E }﹀ 43 2 SL ~ 1 3 1cm/s • 50 D 2 } hu /,.、 ( a ) 4 X(mm) い) o 0.5 1 1 . 5 2 D i s t a n c efromb u r n e rc e n t e r(mm) ( d ) F i g . 3 P r o c e d u r eo ft h em e a s u r e m e n to fl a m i n a rb u r n i n gv e l o c i t y :( a )V e l o c i t yv e c t o r s ;( b )OH-PLIFi m a g 巴 ( c )F l a m ef r o n ts u p e r p o s eo nf l o w i 0 2 I H ef l a m e,He=82v ol . % ,P = O . 6MPa ,T IF400K) s t r e a m l i n e s ;( d )D i s t r i b u t i o no fl o c a lbumingv e l o c i t i e s(H2 ( 6 1 ) 62 日本燃焼学会誌 300 . ( 旦 EO)4 句 メt ω﹀四戸﹄一E コ心﹄m一 WCE C﹂ oo 一 ¥ ¥ 一¥ 250 experiment • p r e s e n twork c a l c u l a t i o n ー ー ー ー presentwork A l l e ne ta. l[ 1 8 ] GRIv e r s i o n2 . 1 1[ 19 ] GRlve陪 i o n3 . 0[ 2 0 ] ¥ . ¥ ¥ ( 第4 4巻 1 2 7号 ( 2 0 0 2年) ¥へ ¥ "'--占 200 ¥¥1i ~ー . . . . . . 、 トト・.メ¥ ¥ ¥K ¥刊 150 ご¥ ¥ 玄・?下¥ ¥ ?;¥ 100 ふ¥ ご た ; ? ? ? ? 仁 丁 、 ¥ ナー と 下 k下! 九=300K -、、、、百九九ム丁 、- -~ ム 面 ~司、--・---..1. 50 ~、、-- 、、 ~'!~ 、 』 、 』 ー ー 0 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 . 0 A m b i e n tp r e s s u r e,P(MPa) , 4 R F i g. e l a t i o n s h i pb e t w e e nl a m i n a rbumingv e l o c i t y, SL, anda m b i e n tp r e s s u r e, P,f o rm i x t u r et e m p e r a t u r es , T戸 3 0 0, 4 0 0, and5 0 0K の流跡線上において速度ベクトルの方向に大 きな変化が現 3 . 3 . 実験結果と数値計算結果の比較 れる点を近似的に予熱帯前縁位置と見なし, これより上流 図 4は H 2 / 0 2 / H巴予混合火炎の SL と雰囲気圧力 P との関 側の流跡線の傾きと予熱帯前縁における速度ベクトルの大 係を,混合気初期温度 ο T ごとに示したものである.エラ きさ Urを求める.一方,同時に撮影された O H P L I F画像 rのばらつ ーパーはふがほぼ一定となる領域内における S ( b ) )は火炎面の導出に用いられるが,火炎面は L I F強 ( 図 3 きを示している.ぱらつきは全て測定値の:t5%以内に収 これは主に O H P L I F画像より火炎の傾き 度が増加し始める点によって決められた.火炎面位置は補 まって いるが, 間法によって得られた流跡線と重ねられ(図 3 ( c ) ),それぞ を求める際に生じるものである.士 5%という値は,火炎 れの流跡線に対する交点の近傍において二次曲線で近似さ 面の傾きが:tl度程度の誤差を含んでいる ことを示す.図 れ,火炎面と流跡線との交差角(()/が求められる.これら 4には Allen ら[ 1 8 ],GRI-Mech2 . 1 1 [ 1 9 ], GRI-Mech3 . 0 [ 2 0 ] r= U r s i n ( ) /として局所燃焼速度 S rの分布を得る を用いて , S の反応機構を用いて行った数値計草結果も同時に示しであ ( 図 3(d))パーナ中心付近からパーナリップ付近までの中間 るが,いずれの反応機構も本測定結果と全ての条件におい 領域においてふがほぼ一定となる領域があり,この領域内 て一致するものはなかった. では火炎の伸長,および、曲率が最小で、あると考 え られる. 1 8 ]の反応機構を用いた計聾結 大気圧近傍では, Allen ら[ そこで,ここでの S rの平均値を層流燃焼速度 S Lとした [ 9 ] . 果は全ての初期温度条件において測定値と概ね一致する 以上のような手順により,高温・高圧下におけ る SL の測 が,高圧下では測定値に比べ大きな値をとる.図 5 は圧力 定を行った. 0 . 1MPaから1.0MPaまでの S Lの減少率 ! 1 S LP(=( S L I O . I M P at 1. O M P a )/S L I O . I M P a ) ) とれとの関係を示したものであるが, SL ( 6 2 ) 大上泰寛ほか,高温・高圧下におけ る H2/0dHe予混合火炎の層流燃焼速度に関する研究 63 nununununU 76543210 以 円 一 expe 同m ent • p r e s e n lw o r k c a l c u l a t i o n 一 一 一p r e s e n lw o r k . l[ 1 8 J A l l e ne la 一一 GRI-Mech2 . 1 1[ 1 9 J 一一 GRI-Mech3 . 0[ 2 0 J ハ Ununu ω﹂コ的問ω﹄丘三ω E問。ご口ω立国ω﹄£一言。-HECozoコ℃ω﹂ 4め え斗句明可動 . _、 、 300 400 九 (K) Temperatureo fm i x t u r e, 500 e l a t i o n s h i pb e t w e e nSLr 巴d u c t i o nr a t i ow i t hr e s p e c tt oa m b i e n tp r e s su r e, / ' ; S /,a n dm i x t u r et e m p e r a t u r e,T ( ) F i g . 5 R 300 P= 1 . 0MPa . 1MPa P= 0 ~ ∞ d // 250 // ε づ// グ / 町 」 200 的 a g 〉、 / 〆ン/ / /1'/ ω > 150 / ノ 八/ / c c //ノ / .// ノ ./ / / . / / // /,./〆 づ/ ,/ コ 何 / / E / ' .7> ~ 100 E 何 50 。 ー /// A〆 / ol ー 」 / ぷ〆/ e x p e r i m e n t • p r e s e n tw o r k c a l c u l a t l o n 一 一 一p r e s e n lw o r k A l l e ne la . l[ 1 8 J 一一 GRI-Mech2. 1 1[ 1 9 J 一一 GRI-Mech3 . 0[ 2 0 J / ~ / / // 〆 .// / . / /. . . 町 二 /. . . . . . 〆 F . . . . 〆 / 300 350 400 450 500 300 350 400 450 500 Temperatureo fmixture, 九 (K) 九 (K) Temperatureo fmixture, a t i o n s h i pb e t w e 巴nl a r n i n a rb u r n i n gv e l o c i t y, SL,a ndm i x t u r et e m p e r a l u r e,Tο , . F i g . 6 R巴l Ien ら[ 18 ]の反応機構は, 全ての T oに対し て d .SLPが実験 Al S L h o O K ) ) を示したものであるが, P これらより GRI-Mech 1 8 ] は, T oが増加するにつれ大きくなる.ゆえに ,Allen ら[ 2 . 1 1 [ 1 9 ]を用いた計算結果は,実験結果に比べ T oの変化に 対する SLの増大が著しいといった傾向を有していることが の反応機構は,高圧で大 きな SL となる. 分かる.この傾向は Allen ら[18]の反応機構でも若干見 ら 結果より小さな値であるこ とが分かる.この 企SL の不足 GRI-Mech2 . 1 1[ 1 9 ]を用いた 計算結果は ,T oが 300Kのと れる. き,測定値と良い一致を示すが, 400K,500K では SL は GRI-Mech3 . 0 [ 2 0 ]は,図 4 に見られるように,全条件に 測定値よりも大きな値となる.これは,図 5において見ら .SLP は他の 二 つの反応機構に おいて小さな SL となるが ,d . SLP の不足に加え ,SLが TO れる, 400K, 500Kにおける d T 比べて測定結果と良い一致を示す. しかし ,d . S L が大き い という傾向は GRI-Mech2.11[20]同様存在する. の増加に伴い増大するといった傾向にも表れている. ο の関係を,図 7 は れ が 300K から 500K 図 6 は SL と T に変化すると きの SL の 増 加 率 必LT (=( S L 1 5 0 0 K-SL i300K)I (63) 64 日本燃焼学会誌 第4 4巻 1 2 7号 ( 2 0 0 2年) ドザ勺 • e x p e r i町l e n t • p r e s n tw o r k c a l c u l a t i o n 一 一 一 presentwork . l[ 1 8 ] A l l e ne ta 一 一 ー GRI-Mech2.11[ 1 9 ] . 0[ 2 0 ] GRトMech3 nU n u R22SEES巴コ宝EDH-uEg ﹂ 工 言 。-EggbE-d 43210 • • 0 . 2 0. 4 0 . 8 0 . 6 1 . 0 A m b i e n tp r e s s u r e,P( M P a ) F i g . 7 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nSLi n c r e a s er a t i ow i t hr e s p e c tt om i x t u r et e m p e r a t u r e,I J . S LT,andambientp r e s s u r e,P 3. 4 . 詳細反応機構の改良 H + 02=0+OH (R1) 本研究は,混合気温度と圧力の広い範囲にお いて数値計 算によりぬが推算できるよう,反応機構を改良すること と H ラジカルに関して競合し,温度や圧力 の変化により火 1 8 ]の反応機構は,大気圧に が目的の一つである. Allen ら[ 炎の燃焼速度に大きな影響を及ぼすことがよく知られてお おいては,れ上昇に伴う S Lの若干の増加が見られるもの り,反応 (R5)の反応速度が増大すると S Lは減少する.ま 2 1 ] の,測定値と非常に良い一致を示す.近年, Kwon ら[ た,三体反応である反応 (R5) は強い圧力依存性を有し, は大気圧において, H2/Air, HzlOzlHe,および H2/02/Ar予 高圧においてその反応速度は増大し,反応 (R1) に対し て 混合火炎の層流燃焼速度の測定結果と数値計算結果の比較 優勢となる.企S LP を増大させるには,反応 (R5)のように を様々な当量比に対して行ったが,最も実験結果と良い一 強い圧力依存性を持ち,且つ 5 Lを減少させる作用のある 2 4 ]の反応機構であると報告 致を示す反応機構は Muller ら[ 反応について,その反応速度を増大させることが効果的で している. Muller ら[ 2 4 ]の反応機構は Allen ら[ 1 8 ]の反応機 1 8 ]の反応機構における反応恨のの反応速 ある. Allen ら[ 構に改良を施したものであり, H2/Air予混合火炎に対して 度定数は, GRI-Mech2.11[19], GRI-Mech3.0[20]のものと S Lは若干小さいものの Allen ら[ 1 8 ]の反応機構と概ね等し 比べ全温度域で小さい値を取る.特に, GRI-Mech3.0[20] 1 8 ]の反応機構は,大気圧の い値となった.即ち, Allen ら[ は,近年の Davidson ら[ 2 5 ]や Ashman ら[ 2 6 ]による衝撃波 計算に適した反応機構であると言えるが,高圧においては 管を用いた実験データを良く反映している. そ こで,反応 P が小さな値をとることもあって ,SL 前述したように d . S L (R5)の速度パラメータを GRI-Mech3 . 0 [ 2 0 ]のものとの入れ は測定値と比べ大きな値となる.そこで本論文では, Allen 換 え る 変 更 を 行 っ た . GRI-Mech3.0[20]の反応恨のは, ら[ 1 8 ]の反応機構を基に,本研究で得られた実験結果を良 A l l e n ら[ 1 8 ]の値に比べ,特に高温域でその反応速度が大き い.この入れ換えによって,高圧において反応恨めの反 く再現できるよう,反応機構の改良を行った. 前述のように, Allen ら[ 1 8 ]の反応機構には S Lの圧力依 応速度が増大し,必LPが増大するものと予想される.また, 存性と混合気温度依存性に実験結果との相違が見られる. 特に高温領域で反応 (R5)の反応速度の増大が大きいため, . SLTが大きい.ここ 即 ち , 必LPが小さく(特に高温領域), d P の不足が緩和される 混合気温度が高いときにおける企S L ではこの二点に着目する.図 8 に Allen ら[ 1 8 ]の反応機構 ものと考えられる.ただし第三体が H20の場合に対しては, に対して行った感度解析の結果を示す.圧力の増加に対し GRI-Mech2 . 11[ 1 9 ]の速度定数が最近の実験値に良く一致し その感度が大きく増加す る反応としては,次のような素反 2 5 ]ことから,第三体が H20の場合に対してのみ, ている [ 応が挙げられる. GRI-Mech2 . 11 [ 1 9 ]の速度定数パラメータを用いることとし た.反応 (R5) に 加 え , 圧 力 依 存 性 の 修 正 の た め , 反 応 H +02+M=H02+M (R5) (Rl)の反応速度ノ tラメータも GRI-Mech3 . 0 [ 2 0 ]のものとの 入れ換えを行った.前述したように,高圧において反応 反応 (R5)は連鎖分岐反応 (R1) は反応 (R5) と競合しているが, この反応の反応速度 LP を減少させることにより反応 (R5)が相対的に強まり,企S ( 6 4 ) 大上泰寛ほか,高温・高圧下における H2/02/H巴予混合火炎の層流燃焼速度に関する研究 が大きくなると考えられる . GRI-Mech3.0[20]では,反応 65 大 きな違いがないことから,変更は行わなかった. (RI) は Allen ら[ 1 8 ]のものと比べ高温領域において小さな 図 4,5, 6,7には上記の修正を行 った反応機構を用 い 値を取るため,高温領域において e i S LP の増大をもたらす. た数値計算結果が同時に示されているが,この修正によっ この反応も (R5) と同様に,近年の Masten らの実験結果 i S LP も実験値と概ね一致する結果が得 ら て , SLの減少率 e [ 2 7 ]を良く反映している. れた. しかし ,SLの混合気温度に対する 増 大 率 必LTが大 上記の修正により ,SLの圧力依存性企S /は改善される きいといった点は依然として存在する.この傾向は,本研 が,SLの温度依存性 e i S LT に関 しての問題は残る.そこで, 究で用いた全ての反応機構が有するものであり,修正を加 反応 えなかった他の素反応によって生じているものとも考え ら れ,更なる検討が必要で、あると言える. 本研究では輸送特性係数,熱化学データに関しては変更 (R6) H02+H=OH+O H を行っていない.近年, Paul ら[28]は輸送特性係数の計算 について, GRIMech2.11[19]の反応速度パ ラメータ との入 法に対して修正を行ったが れ換えを行った.反応 (R6) は,図 8 からも分かるよう感 のような軽い化学種の拡散速度は増大する. H ラジカルは 司 この修正によって H ラジカル 度の高い反応であるが, GRI・Mech2.11[19]では,反応 (R6) H2 /02反応機構で、強い影響を持つ反応 (R1 ) に関与する化学 は高温側で Allen ら[18]の反応速度より小さく,低温側で 種であり,また輸送特性係数は温度依存性が強いことから, は大きい値を取る. この反応は火炎伝播に正の作用を持つ SLの温度依存性改善のためには,今後,輸送特性係 数に ことから,この入れ換えにより高温側においてぬが減少 ついても検討を行う必要があると言える. し,低温側で SLが増大することが予想される.即ち , e i 5 LT を減少させることができるものと考えられる.次の反応に 4 . 結言 ついても,同様の結果を予測し , GRI-Mech3.0[20]との入 一 定 圧 力 に 制 御 された 高 圧 容 器 内 に 安 定 化 さ れた れ換えを行 った . H2 i 02/He予混合火炎に対し,高温・高圧下にお いて実験を 行った結果,次のような結論が得られた. (R8) H 02+O H=H2 0 +02 1 . H2 /02 /He混合気は, Lewis数の増大と層流燃焼速度の 他 の大きな感度を持つ反応についても修正を検討した 減少 のため に,高圧における火炎の不安定性は効果的 が,それらの反応速度定数のデータは,各反応機構の聞に 1 .H+O2=0 +OH 2 .0 +H2=H+OH に抑制され,圧力 0 . 1 ' " ' '1 . 0MPa,混合気温度 3 0 0 ' " ' ' 5 0 0 ~ .., 日 : > . . . . , ・ ・ " 、 首 吋" 戸" . ' " " : ' ' , ' " ヨ 払 ' 樫里雷 3.OH+H2=H+H2 0 > : . ,' 望号雪 -巴 p ‘ 泊 4 一 宅 4 .0 +Hz D=OH+OH 5.H+O2+M =ト102+M 巴~ 6 .H02+H=OH+OH コ 叫 7 .H02+H=H2+O2 司君塑 軍 ‘ ー 『 里 8 .H02+OH=H2 0 +O2 宅 9 .H02+0 =OH+O2 1 0 .H2+M =H+H+M 九=300K 1 1 .0 +0 +M -O2+M 九=500K 12.0+H+M =OH+M 唱哲 『 理 雪 13.H+OH+M =H2 0 +M 14.H02+H02=H2 02+O2 D2+M =OH+OH+M 1 5 .Hz 明 1 6 .H2 02+OH=Hz D+H02 -圃圃・ P=1 . 0MPa 1 7 .Hz D2+H=H2+H02 国 軍 P=0.5MPa 1 8 .H2 02+H=H2 0 +OH 亡二二コ P=0. 1MPa D2+0 =OH+H02 1 9 .Hz 0. 4 四 。 。 〆/ 0 . 2 0. 4 0 . 2 S e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n t s 0 . 2 0. 0 0 . 2 0. 4 I 02mechanismo fA l l e ne ta l . [1 8 ]f o rv a r i o u sp r e s s u児 ,P, andt e m p e r a t u r e,T " . F i g . 8 S e n s i t i v i t yc o e f f i c i e n tsf o rH2 (65) 66 日本燃焼学会誌第4 4巻 1 2 7号 ( 2 0 0 2年) K の範囲内で安定な火炎が得られた. 1 0 .Qin, X ., andKobayashi, H . ,E x p e r i m e n t a lThermalandF l u i d 2 . H2/0zlHe予混合火炎に対し, PTVと OH-PLIFを用いた 1 :5 8 6 3( 2 0 0 0 ) S c i e n c e2 局所燃焼速度測定法により,高温・高圧下における層 巴w i s, G., P r o c .R o y .S o c .A298:495-513( 19 6 7 ) . 1 1 .Dixon-L 流燃焼速度を測定することができた. 1 2 .Baulch,D .L . , Drysda1e,D .D. ,Horne,D .G.,andL lod,A . 3 . 詳細反応機構を用いた層流燃焼速度の数値解析を行い, C .,E v a l u a t e dK i n e t i cDataf o rHight e m p e r a t u r eR e a c t i o n s , 数値解析結果と実験結果との比較を行ったが,調査し Vol . l( 19 7 2 ) . た反応機構中に,全ての圧力,温度範囲で測定データ 1 3 .Warnatz, 1 ., W.C .G a r d i n e r1 r .( E d . ),C o m b u s t i o nC h e m i s t r y , と一致するものは見出されなかった. S p r i n g e r, NewYork,1 9 8 5, p . 2 0 4 2 2 4 . 4 . 本実験結果と数値計算結果との比較に基づき反応速度 1 liams, F .A . ,C o m b u s t i o nTheoη,s e c o n de d .,( 19 8 5 ) . 1 4 .W i 定数の検討を行い, A l l e n ら[ 1 8 ]の反応機構に対し修正 1 5 .S i v a s h i n s k y,G. , . 1 A n n .R e v .F l u i d Mech.1 5 :1 7 9 1 9 9 を行った結果,実験結果と概ね等しい層流燃焼速度の ( 19 8 3 ) . 圧力依存性を再現す るこ とが可能にな った. 1 6 .Kee,R .1 .,Grcar,1 .F .,Smooke,M.D .,andM i l l e r,1 .A., S a n d i aN a t i o n a l Lab o r a t o r i e sR e p o r t No.SAND89-8009 ( 19 9 3 ) . 謝辞 1 7 .Kee,R ., . 1 Rup1ey,F .M.,andMi 1 1e r,1 .A .,S a n d i aN a t i o n a l 本研究に対して,貴重なご、助言を賜った,東北大学流体 L a b o r a t o r i e sR e p o r tNo.SAND85-8240( 1 9 9 1 ) 科学研究所,新岡嵩教授に感謝の意を表します.また,実 . , Y e t t e r,R .A . , and Dryer,R .L . , C o m b u s t . 1 8 .A l l e n,M. T 験および数値解析に協力いただいた東北大学大学院生,川 Flame1 0 9 :449-470( 19 9 7 ) 畑琢也君,瀬山勝広君,東北大学学生,三津谷維基君に感 1 9 .F r e 叫d ach,M.,Wang,H .,Bowman,C .r " Hanson,R .K . , 謝 の意を表す. Smith, G.P ., G o l d i n,D .M., G a r d i n e r, W.c . , andL i s s i a n s k i, V .,h t t p : / w w w . m e . b e r k e 1 e y . e d u / g r i m e c h /( 1 9 9 5 ) .T .,Smith,G.P .,andG a r d i n e r, 20 .F r e n k l a c h,M.,Bowman,C References W.C .,http:/www.m 巴. b 巴r k e 1 e y .巳d u / g r i m e c h /( 19 9 9 ) . 1 . Gunther,R . and 1 a n i s c h G.,C o m b u s t . Flame 1 9 :4 9 5 3 21 .Kwon,O .c .,andF a e t h,G .M.,C o m b u s t .Flame1 2 4 :5 9 0 610( 2 0 0 1 ) ( 19 7 2 ) . 2 . Andrews, G.E .,andB r a d l e y,D.,C o m b u s t .Flame2 0 :7 7 8 9 2 2 .B a 1 a k r i s h n a n,G .,Smooke,M. D.,and W i l 1iams,F .A . , C o m b u s t .Flame1 0 2 :329-340( 19 9 5 ) . ( 19 7 3 ) . .D .S .andMacFarlane,R .,C o m b u s t .Flame4 9 :5 9 7 1 3 . L i u,D 2 3 .Cobos,C .1 .,H i p p l巴r ,H .,andTroe,1 ., よ P h y s .Chem.8 9 : ( 19 8 3 ) . 342-349( 19 8 5 ) . 4 . Wu,C .K . , andLaw,C .K .,Pr o c .C o m b u s t .I n s t .2 0 :1 9 4 1- .,Kim,T .J .,Y e t t 巴r ,R .A .,andDryer,F .L . , 2 4 .M u e l l e r,M.A i n e t i c s3 1 :1 1 3( 19 9 9 ) I n t .よ Chem.K 19 8 4 ) . 1949( 5 . Dowdy,D .R .,Smith,D .B .,T a y l o rS .C .,andWi l 1iams,A ., 2 5 .Davidson,D .F .,P e t e r s e n,E .L . , Rohrig,M.,Hanson,R .K . , 3 :325-332( 19 9 0 ) . P r o c .C o m b u s t .I n s t .2 and Bowman,C .T .,Pr前• C o m b u s t .I n s t .2 6 : 481-488 6 . Aung,K .T . , Hassan,M., . 1 a ndF a e t h,G . M.,C o m b u s t . Flame112 ト24( 19 9 8 ) . ( 19 9 6 ) . 26 .Ashman,P .1 .,andHaynes,B .S .,P r o c .C o m b u s t .I n s t .2 7 : 7 . I i jima, T .,andTakeno, T . ,C o m b u s t .Flame6 5 :3 5 4 3( 19 8 6 ) 1 8 5 1 9 1( 19 9 8 ) . 8 . Shebeco,Y u .N .,T s a r i c h e n k o,S .G.,Koro1chenko,A .Y a ., .A .,Hanson,R .K .,andBowman,C .T .,1 .P h y s . 27 .Masten,D Chem.9 4 :7119-7128( 19 9 0 ) Turnev,A .V .,Navzenya,V. Yu.,Papkov,S .N .,and Z a i t n e v,A .A ,C o m b u s t .Flame1 0 2 :427-437( 19 9 5 ) . 2 8 .P a u 1,P .,andWarnatz, , . 1P r o c .C o m b u s t .I n s t .2 7 :495-504 目 9 . Kobayashi,H .,S u g a i,A . , Kawabata,Y .,Maruta,K . , and N i i o k a,T .,i n :1 s tA s i a P a c i f i cConfonC o m b u s t . :3 0 2 3 0 5 ( 19 9 7 ) ( 6 6 ) ( 19 9 8 ) .
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