定容燃 焼容器 による予混合乱流燃 焼 の実験的研 究

走容燃焼容器による予混合乱流燃焼の実験的研究

(火炎の微視的構造 とフラクタル次元)

2 8 5

定容燃 焼容器 による予混合乱流燃 焼 の実験的研 究

(火 炎 の微視 的構造 とフラクタル次元)

友松 重樹1)･田坂 英 紀2)

Expe r i me ● nt alSt udyf orPr e mi xe dTur bul e ntCombus t i on us l ngCons t antVbl umeCombus t i onBomb

( Re l at i onbe t we e nmi c r os c opi cf l ames t r uc t ur eandf r ac t aldi me ns i on)

Shi gekiTOMOMATSU,Hi denor iTASAKA

A

Thepur pos eoft hi ss t t l dyi st hequa n t i t a t i vee va l ua t i onofr e l a t i onbe t we e nf la mes t r uc t ur ea ndt ur bul e nc e ofga snow unde rt ur bul e ntpr e m i xe dc ombus t i on.Tome a s ur es i mpl y ,c ons t a ntvol umec ombus t i o nbomb whi c hi se qul PPe dt ur bul e nc ec ont r olde vi c ei sus e d.Thea ut hor sme a s ur e dt hega snow byLa s e rDoppl e r Ve l oc i me t e r ,a ndc a l c ul a t e dt ur bul e nc ei nt e ns i t ya sc ha r a c t e r i s t i cva l ueofga snow.Fl a mes t r uc t ur ewa s me a s ur e d a sc r os ss e c t i ona li ma geby l a s e rs he e tme t hod.To e va l ua t ef la mes t r uc t ur equa n t i t a t i ve l y , pe r i phe r y/pe r i phe r yofi de a lc i r c l e ,c ha r a c t e r i s t i cofune ve nne s sa ndf r a c t a ldi me ns i onwhi c hi sc a l c ul a t ed bybox‑ c ount i ngme t hodwe r eus e d･The s eva l uee xpr e s sc ompl e xi t yofna mef r on ts ha pe.Box‑ c ou nt i ng me t hodc a ne val ua t ef la mes ha pewhi c hi sc hi ppe dof fpa r toft her i m.

Asr e s ul t s ,t hea ut hor sf わundt ha t ,i nt her a ngeof0. 1 4‑2. 1 4m/ soft ur bul e nc ei n t e ns i t y ,une ve nne s sor na mef r onti nc r e a s e dwi t ht ur bul e nc eofga snowa ndf la megr owt h.Al t hough,i ns pi t eofna mes i z e ,na me gr e wupwi t hc ons t a ntdi me ns i one ve r yt ur bul e nc ei nt e ns i t y.

Ke yWor ds :Tur bul e ntc ombus t i on,Cons t a ntvol umec ombus t i onbomb,Ga snow,Fl a mes t r uc t ur e

Fr a c t a ldi me ns i on

1

予混合乱流燃焼において,ガス流動 と燃焼には非常に密

接な関係があ り,両者はお互いに影響を及ぼ しあっている

2.定容燃焼容器

な研究がなされてきたが,乱流予混合燃焼における燃焼促 進機構は未だ解明されていないのが現状である.

本研究では,乱れ強 さを制御することができる定容燃焼 容器を用いて, レーザ ドップラ流速計による容器内ガス流 動計測および レーザシー ト法による火炎断面計測を行 うこ

1)

2 )

本研究で使用 した定容燃焼容器の概略図を図

1

燃焼室は,高さ

1 2 0

2 4 4

1 2 0

3 3 0 0 c m

9 0 m

9 0 m

2 8 6

3 3

混合気の吸 ･排気 口などが設けられている.また,観測窓 の無い対向する側面には,ガス流動発生装置が設置 されて お り,外部のモータにより駆動 した.

( Fr o n tvi e w) _{Pressure i ndi cat or}

Wi ndow

⊂ 幣 A: √

冒嗣 ^‑ I I I l i ‑ I IA ‑ = ≡

. . ノ

= ⊃

仁 』 も . ′ ' ^.

Fi g. 1 Cons t a ntvol umec ombu st i o nbomb

Z

iVe r ti c aldi re c ti o n

x 一 Si deyi nd o ydi re c ti o n

Fi g. 2 Me a s ur e me n tpos i t i o n

3.容器 内ガス流動計測

容器内のガス流動を把握するために,本研究では後方散 乱 レーザ ドップラ流速計を使用 し,容器側方および上方か らガス流動の

3

に示す.

計測の結果,可視化範囲内では, どの計測位置 ･方向に ついても主流速は乱れ強さに対 して小 さいものであ り,そ れぞれの測定点における乱れ強 さも

3

3

Mot ors ha 允dke c t i on Si dewi ndoⅥ′ di r e c t i on

[S＼

u I] J(1

a t

n q Jn ト 3 2

xOyO x Oyl OxO y20x Oy30xO y40xl OyO x20yO x30yO x 40yO

Meas u ri ngpoi nt

, r r m]

Fi g. 3 Tur bul e nc ei nt e ns i t y

4.火炎断面計測

火炎断面計測は

､N d ‑ Y A G

厚 さ

0 . 3

C C D

5 ‑7 ns

N d ‑ Y A G

火炎断面計測には,当量比

1

O m /

,0 . 1 4 m /

,

. 7 6 m /

走容燃焼容器 による予混合乱流燃焼の実験的研究

(火炎の微視的構造 とフラクタル次元) 287

2 .1 4 m/

レーザシー ト法による火炎断面画像の例 として,乱れ強 さ 2.14m/S,点火後 6msの火炎断面画像 を図 5に示す.

この画像 を 2値化 し,輪郭線 を抽 出 した後,火炎形状特性 値の算出を行った.

Fi g. 5 Fl a mec r os ss e c t i o ni ma g e

本研究では,火炎の複雑 さを評価す るために,ボ ックス カ ウンテ ィング法 (1)によ り輪郭線のフラクタル次元を算 出 した.ボ ックスカ ウンテ ィング法は,碁盤の 目のように, 画像 を等間隔

8

N

,N8

1)

Ⅳ∂‑

C ･ ∂

(1)

また,フラクタル次元は, Nb‑ ∂を両対数プ ロッ トし た ときの勾配

D

(2)

D = ‑

しか し,早い時刻に撮影 した火炎は,画像全体に対 して 小 さいものであ り, ∂の値が大きい場合 には誤差を生 じて しま うため,∂の値 を広 く変化 させて

l o gN8‑1 0 g

8

4

既報3)において,図

6

o g N6‑1 0 g

2

Na ‑C ･∂D

2

7 6 m/

4 m/

4

1 2 3 4

1 0ga Fi g. 6 1 0 岳

6‑1 0 g ∂

既報での撮影条件は 512×512

Pi xe

0.22… ,今回の空間分解能は 0.048×0.048… である.

それぞれの解像度 で撮影 した画像 か ら求 めた フラクタ ル次元の時間経過を図 7,8に示す.図中の各プロッ トは, 同一時刻 に撮影 した

1

7

8

0.048‑1.54mである.

2 8 8

3 3

これ らの図か ら,測度 ∂が小 さい範 囲 (

a‑0 . 2 2‑

1 . 7 6 m m )

6

1 . 7 6 ‑3 .1 0 m

3m s

以上の結果か ら,乱れ強 さ

0 . 1 4‑2 .1 4 m /

6

1 . 7 6‑

3 . 1 0 m

, a‑0 . 0 4 8

1 . 7 6 m

とん ど変化 しないことがわかった.

u O

u

!P

u O

I . 3

1 . 2

2 4 6 8 1 0

Ti n ℃ a Re ri かt i o n l ms ] Fi g. 7 Fr ac t a l d i me n s i o n

5 10

T

r i g ^{l i}

^{i o n l ms ]}

Fi g. 8

i m

^{s i o n}

5.

結論

定容燃焼容器 を用いて,ガス流動計測および火炎断面計 測を行い,予混合乱流燃焼における乱れ強 さと火炎断面輪 郭線のフラクタル次元に関する検討を行った結果,以下の 結論を得た.

1.本研究で計測 した乱れ強 さ

0 . 1 4 ‑2 .1 4 m /

1 . 7 6

, a‑0 . 0 4 8 ‑1 . 7 6

1 . 0

1 .1

ることがわかった.

参考文献

1)高安秀樹,フラクタル,朝倉書店

,1 9 8 6

2)

3 0

,p2 7 9 ‑ 2 8 4,2 0 01

3)

31

,p 2 6 7 ‑ 2 7 0 ,2 0 0 3