Microgravity Experiments on Effects of Fuel Vapor-Air Mixture around Droplets and Droplet Spacing on Flame Spread along a Droplet Array

液滴間隔および周囲予混合気が液滴列火炎燃え広がりに及ぼす影響に関する微小重力実験

日大生産工(院) ○岩崎  拓史    日大生産工  野村  浩司    日大生産工  氏家  康成

JAXA 

   

菊池  政雄    山口大学    三上  真人

1.

  緒言

液体燃料を霧化して燃焼させる噴霧燃焼は，

ボイラや炉をはじめ，ディーゼル機関などの 燃焼器に広く用いられている燃焼方式である．

噴霧燃焼は，燃料微粒子，燃料蒸気および空 気からなる極めて不均一な系で起こる現象で ある．燃料の蒸発・拡散・混合，それによっ て生じた混合気の燃焼が同時に進行し，かつ 影響しあうため，燃焼現象を直接解析するこ とは困難である．噴霧燃焼機構の解明を目的 とした基礎研究には，詳細観察が可能な直径

1 mm

程度の液滴複数個の液滴群を自然対流が 発生しない微小重力環境で燃焼させ，噴霧燃 焼の単純モデルとして解析する実験的研究

^[1-3]

が行われてきた．微視的観点からの噴霧燃焼 機構へのアプローチである．しかしながら，

気相蒸気濃度が液滴群燃焼に及ぼす影響を調 べた部分予蒸発噴霧を対象とする実験的基礎 研究の報告は少ない

^[4-5]

．

本研究では，液滴を直線状に等間隔配置し た液滴列の周囲を予混合気で満たし，微小重 力環境において火炎燃え広がり実験を行った．

本報では，火炎燃え広がり速度の液滴間隔依 存性や火炎燃え広がり挙動に及ぼす液滴列周 囲予混合気の当量比の影響について考察した 結果を報告する．

2.

実験装置および方法

図

1

に実験装置概略を示す．装置は，燃焼 容器，液滴列支持装置，燃料供給ポンプ，液 滴列生成装置，液滴列移動装置，点火装置，

制御装置および計測機器から構成される．実 験空間は直方体であり，その中に燃料液滴列 は水平に配置される．液滴列の列方向に垂直 な実験空間断面は正方形であり，燃料液滴は その正方形断面の中心に懸垂する．本実験で は，実験空間の液滴列垂直断面が一辺

25 mm

の正方形であり，列方向長さが

116 mm

の燃 焼容器を使用した．燃焼容器壁面や液滴支持 部には，火炎の熱損失を低減させるため，マ シ ナ ブ ル セ ラ ミ ッ ク ス 製 ( 熱 伝 導 率 ：

1.7 W/m・K)である．予混合気は，均一に加熱し

た燃焼容器内部に液体燃料を注入することで 生成し，液体燃料の蒸気圧を燃焼容器内温度 で制御することで，目的の気体当量比φ

_g

に設 定した．燃焼容器下部には液滴列支持部が挿 入されるスリットが設けられている．燃焼容

High speed camera UPS

battery

CCD

Combustion chamber

Sequencer Fuel feed pump Combustion chamber

Droplet array generator Droplet

array

suspender Test section

Droplet array elevator

S S

25 mm

25 mm

116 mm

d

0

Fig.1  Experimental apparatus.

Fig.2  Device configuration.

Microgravity Experiments on Effects of Fuel Vapor-Air Mixture around Droplets and Droplet Spacing on Flame Spread along a Droplet Array

Hiroshi IWASAKI, Hiroshi NOMURA, Yasushige UJIIE, Masao KIKUCHI, Masato MIKAMI

器内に予混合気を生成している間は，シャッ タによってスリットを密閉した．燃焼実験中 は，燃え広がる火炎の既燃側の燃焼容器端は 開端とし，未燃側は未燃混合気流速を小さく するため閉端とした．液滴列支持部には，X 字型に交差した直径

14 µm

の

SiC

ファイバが 等間隔に

10

組設置されており，その交点に液 滴を支持した．液滴間隔

S

はファイバを張る 間隔で変化させ，

1.6，2.4，3.0，4.0，5.0 お

よび

8.0 mm

の

6

条件を用意した．点火源から

最も遠い第

10

液滴は，燃焼室閉端から

S/2

の 位置に設置した．液滴列生成装置は，フッ化 ビニール樹脂バッグ，燃料供給ポンプ，テフ ロンチューブ，燃料溜め部，10 本のガラス針 から構成される．燃料溜め部に燃料が満たさ れた状態で燃料溜め部に装着されたガラス針 の先端を懸垂線の交点まで前進させる．その 後，ポンプにより樹脂バッグから溜め部に燃 料を送り，ガラス管先端から燃料を吐出する．

ポンプは高精度の燃料送り出しが可能であり 初期液滴直径

d 0

は

0.8 ±0.05 mm

で一定とした．

点火装置には熱線点火方式を採用し，直径

0.29 mm

の鉄クロム線を通電させることで液

滴への熱線点火を行った．燃焼現象の撮影に は高速度カメラ（撮影速度：100 fps，露光時 間：open）を使用し，制御装置にはシーケン サを使用した．燃料には正デカンを使用した．

燃え広がり速度は，第

3

液滴から第

9

液滴ま で火炎が燃え広がる間の火炎先端平均速度と した．大型落下塔で実験を行った条件（S/d

₀ =

6.25, 10）については 1

回の実験結果を，小型

落下塔で実験を行った条件については

3

回の 実験結果の平均値を，それぞれの条件におけ る燃え広がり速度とした．図

2

に，カプセル 搭載時の装置の構成を示す．下段に実験装置 本体を配置し，上段に

UPS(無停電電源)，バ

ッテリー，高速度カメラを配置した．実験は 全て大気圧で行い，微小重力環境は日本無重 量総合研究所の大型落下塔(微小重力時間

4.5 s)，および日本大学生産工学部の小型落下塔

(微小重力時間 1.1 s)を使用して実現した． 

3.  実験結果および考察

  本燃焼容器における予混合火炎伝播限界以 下の気体当量比の雰囲気中に液滴列を挿入し，

微小重力環境下において火炎燃え広がり実験

Fig.3 Sequential images of flame spread behavior.

(a) S/d 0 = 2.0 , φ g = 0.2 (b) S/d 0 = 2.0 , φ g = 0.7

(c) S/d 0 = 3.75 , φ g = 0.2 (d) S/d 0 = 3.75 , φ g = 0.7

(f) S/d 0 = 10.0 , φ g = 0.7

(a) S/d 0 = 2.0 , φ g = 0.0 (b) S/d 0 = 2.0 , φ g = 0.7

t = 0.11 s

t = 0.19 s t = 0.06 s

3 mm

t = 0.06 s

t = 0.11 s t = 0.02 s

3 mm

t = 0.16 s

t = 0.26 s

t = 0.06 s

t = 0.12 s t = 0.06 s

3 mm

t = 0.02 s

3 mm

t = 1.13 s

t = 1.83 s

t = 0.64 s

t = 1.00 s t = 0.70 s

10 mm

t = 0.34 s

10 mm

(e) S/d 0 = 10.0 , φ g = 0.2

を行った．図

3

は火炎燃え広がりの直接画像 であり，(a)，(b)は

S/d 0 = 2.0

でφ

g = 0.2

および

φ g = 0.7，(c)，(d)は S/d 0 = 3.75

でφ

g = 0.2

およ びφ

g = 0.7，(e)，(f)は S/d 0 = 10.0

でφ

g = 0.2

お

よびφ

g = 0.7

の条件における燃え広がり挙動を

示ししている．文献

6

の分類に従えば，S/d

₀ = 2.0

の条件では，火炎が未燃液滴を次々に内部 に取り込みながら進行するモード

1

の燃え広 がりが観察された．S/d

0 = 3.75

および

5.0

の条 件では，火炎が未燃液滴周囲に形成された可 燃予混合気相に触れ火炎が燃え広がるモード

2

の燃え広がりが観察され，一番液滴間隔が

広い

S/d 0 = 10.0

の条件では，火炎は未燃液滴

周囲の予混合気に触れることはなく，火炎か らの熱移動によって未燃液滴が自発点火する モード

3

の燃え広がりが観察された．また，

S/d 0 = 3.0

の条件ではモード

1

とモード

2，S/d 0

= 6.25

の条件ではモード

2

とモード

3

の判別

が困難な燃え広がりが観察され，燃え広がり モードは液滴間隔に依って変化するが，気体 当量比の影響は受けなかった．図

4

は，山本 ら

^[5]

による数値解析結果を示したものであり，

グレースケールは温度分布，黒線は反応速度 の等値線，白線は当量比の等値線を示してい る．(a)，(b)は

S/d 0 = 2.0

でφ

g = 0.0

およびφ

g = 0.7，(c)，(d)は S/d 0 = 6.0

でφ

g = 0.0

およびφ

g = 0.7

の解析結果である．どちらの液滴間隔の条 件においても，気体当量比の増加につれて火 炎外縁に予混合火炎の反応領域が拡大してい ることがわかった．

図

5

に，初期液滴直径で正規化した燃え広 がり速度

V S d 0

と周囲気体当量比φ

g

の関係を示 す．副変数は無次元液滴間隔

S/d 0

とした．気 体当量比の増大に伴い，正規化した燃え広が り速度は全ての無次元液滴間隔において増大 した．またφ

g = 0.7

の条件における

S/d 0 = 3

お よび

3.75

での燃え広がり挙動を観察すると，

燃え広がり火炎に若干先行して予混合火炎が 発生し，燃え広がり速度が大幅に速くなる現 象が観察された．この場合の速度は図中に黒 塗りで示し，考察は次段落で行う．気体当量 比が燃え広がり速度に及ぼす影響の大小を無 次元液滴間隔で比較するため，各無次元液滴

間隔のφ

g = 0.2

における燃え広がり速度で燃え

広がり速度を除した燃え広がり速度比と気体 当量比の関係を図

6

に示す．図

5

と同様，予

混合火炎が発生した場合の速度による速度比 は黒塗りで示す．S/d

₀ = 3.75

の条件を除くと，

無次元液滴間隔の増大に伴って火炎燃え広が り速度比の気体当量比依存性が大きくなって いる．モード

1

の燃え広がりが起こる場合，

気体当量比が増大するのに伴って，火炎先端 を含む火炎外縁の予混合燃焼領域（図

4

参 照）における発熱が増大すると考えられる．

これにより，未燃液滴の加熱時間短縮が起こ

Fig.4 Numerical study of flame spread behavior.

(d) S/d 0 = 6.0 , φ g = 0.7

0.2 0.4 0.6 0.8 1

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

0

Gas equivalence ratio, φ g

Nor m aliz ed f la m e s p read s peed V s d 0 , m m 2 /s

Microgravity S/d

0

= 2 S/d

0

= 3 S/d

0

= 3.75 S/d

0

= 5 S/d

0

= 6.25 S/d

0

= 10 S/d

0

= 3 S/d

0

= 3.75 (Flame spread following premixed flame)

(c) S/d 0 = 6.0 , φ g = 0.0

0.2 0.4 0.6 0.

1 1.5 2 2.5

Gas equivalence ratio, φ _g F lam e s p read s peed ra ti o V s / V s 0. 2

Microgravity S/d

0

= 2 S/d

₀

= 3 S/d

0

= 3.75 S/d

0

= 5 S/d

0

= 6.25 S/d

0

= 10

S/d

0

= 3 S/d

0

= 3.75 (Flame spread following premixed flame)

Fig. 6 Flame spread speed ratio as a function of gas equivalence ratio.

Fig.5

 

Normalized flame spread speed as a

function of gas equivalence ratio.

り，火炎燃え広がり速度が増大すると考えら れる．モード

2，3

の燃え広がりが起こる場合 は，気体当量比の増大に伴い，火炎外縁の高 温部が未燃液滴に接近して液滴の蒸発が促進 されるとともに，未燃液滴周囲の可燃混合気 層の形成に必要な液滴からの蒸発気量も減少 するため，燃え広がり速度は大幅に増大する と考えられる．結果として，燃え広がりモー ドが

3

となる間隔が長い条件の方が，モード

1

となる間隔が短い条件より速度比の気体当 量比依存性が大きくなったと考えられる．例

外とした

S/d 0 = 3.75

の条件については，次段

落で考察する． 

図

7

に，正規化した燃え広がり速度と無次 元液滴間隔との関係を示す．図

5，6

同様に，

予混合火炎が発生している現象が見られた場 合の速度は黒塗りで示す．φ

g = 0.7

の条件にお ける

S/d 0 = 3

および

3.75

で観察された予混合 火炎は非常に弱い火炎であるため，後方で発 生する燃え広がり火炎の進行に強く依存して 伝播しており，液滴間隔が密である場合,ある いは後方の燃え広がり火炎の速度が遅い場合 には，予混合火炎は液滴に熱を奪われるため に発生が抑制される

  ^[7]

．このため燃え広がり 速度が速く，液滴が適当な間隔で配置されて いる

S/d 0 = 3.0

および

3.75

の条件で，燃え広 がり火炎の前方に予混合火炎が発生しやすい と考えられる．発生したこの予混合火炎は未 燃液滴の蒸発を活性化させ，未燃液滴の加熱 時間を大幅に減少させると考えられる．この ため，燃え広がり速度は予混合火炎が発生し ない場合より速くなり速度比の増加も大きく なると考えられる．ただし，S/d

0 = 3.75

の予 混合火炎が発生しないφ

g = 0.7

以外の条件にお いても，間隔がより長い

S/d 0 = 5.0

の条件より 速度比の気体当量比依存性が大きいという結 果が得られた．これは

S/d 0 = 3.75

を境に，燃 え広がり機構に大きな変化が発生しているた めだと考えられる．今後，液滴列中における １液滴の点火までの直径履歴や，数値解析に よる液滴間の温度履歴などから，燃え広がり 機構の遷移について詳細に調べる予定である． 

4.

結言

部分予蒸発噴霧燃焼の基礎研究として，予 混合気中に正デカン液滴列を配置し，微小重

力環境下において液滴列燃え広がり実験を行 った．本研究で得られた知見を以下に示す． 

(1)  燃え広がりモードは無次元液滴間隔に依

存して変化するが，気体当量比の影響は 観察されなかった． 

(2)  気体当量比の増大に伴って燃え広がり速

度は増大する．無次元液滴間隔が

3.75

の 条件を除き，液滴間隔の増大に伴って燃 え広がり速度の気体当量比依存性が増す． 

(3)  気体当量比に依らず，燃え広がり速度は

無次元液滴間隔が

3

から

3.75

の範囲で最 大となる．気体当量比が

0.7

の条件では，

燃え広がり火炎に先行する予混合火炎が 発生し，燃え広がり速度が突出して大き くなる．

参考文献 

1. 若島・他 4

名，日本燃焼学会誌 47 (139) :

48-57 (2005). 

2.  H.  Kobayashi.,  et al.,  Proc.  Combust. 

Inst. 29 : 2603-2610 (2002). 

3. 三上・他 5

名，日本燃焼学会誌 45(134) : 

238-247 (2003). 

4. 菊池・他 2

名，液滴間火炎伝播メカニズム

研究 04-052 : 1-29 (2005). 

5. 山本・他 4

名，第

43

回燃焼シンポジウム

講演論文集，pp.256-257 (2005). 

6.  梅 村 ， 日 本 機 械 学 会 論 文 集   B

編  

68 (672) : 2422-2428 (2002). 

7. 岩崎・他 5

名，第

45

回燃焼シンポジウム

講演論文集，pp.420-421 (2007). 

Fig.7 Normalized flame spread speed as a function of nondimensional droplet spacing.

3 6 9 12

20 40 60 80 100 120 140 160 180

0

Nondimensional droplet spacing, S/d ₀ Nor m aliz ed f la m e s p read s peed V s d 0 , m m 2 /s

Microgravity

φ

g

= 0.2

φ

g

= 0.4

φ

g

= 0.5

φ

g

= 0.7

φ

g

= 0.7

(Flame spread following

premixed flame)