博 士 （ 工 学 ） 朴 竣 成
学 位 論 文 題 名
Research on the Transient Phenomena from a Laminar Flat Flame to Turbulent Flame Motions by Laser Irradiation IVIethod
（ レー ザー 照射 法を 用いた層流平面火炎の乱流挙動への遷移過程に関する研究）
学位論文内容の要旨
The understanding of acoustic instability of propagation flames in a tube is of the most importance in the field of the combustion, because the instability can lead a high performance combustor to unsteady operation and serious damage. However, there are still unanswered questions to the mechanism of combustion driven instability in the acoustic field, and how the initial dismrbance on the system grows to eventual and explosive phenomena. This research has particularly been motivated by an interest in the growth mechanisms of acoustic instability and the acoustic feedback.
The experiments with fiames premixed C2H4/C02‑02 (Le<l) in a tube have been conducted. The mixture is ignited at the top, open end of the tube, and a flame front propagated toward the closed end of tube. The fiat and cellular 11ames were selected as a default at each condition to observe the transition processes. The premixed gas inside the tube is exposed to the C02 laser beam after activating the igniter, and then the C02 laser beam prebeats the unburned mixturejust ahead of the fiame surface locally at the center.
The flame fronts show different and unique behaviors depending on laser powers applied in the unbumed mixture ahead of the reaction zone. The fiame tip giows extremely fast. In the experiments, the fiuctuation of flame intensity is augmented by the periodic increase in total fiame surface area, which is induced by the curvature effects and acoustic pressure. This growth cycle is modulated with acoustic cycle, and it can result in the enhanced acoustic amplitude to reach turbulent motion with the satisfaction of Rayleigh's criterion. In this study, the detailed descriptions of fiame front behaviors in the transient stage are presented, which give the general insight into the transition phenomena from the primary acoustic instability to turbulent motions, actively induced by the absorption of externally irradiated C02 laser beam.
The threshold conditions at the transition are examined by applying continuous and limited exposure of C02 laser beam. The presences of the transition are obtained in terms of laser powers, exposure time, and flame curvatures. In the detailed observations of curvature dynamics, the growing modes (decaying modes) are established just prior to the transition (no transition). The maximum curvatures ‑ 98 ‑
at the last cycle prior to the transition are obtained rigorously, and the results showed that the regime of the transition can be obviously distinguished through the critical curvature in a given tube length. The existence of the critical curvature is explained by the relationship between the pressure gradient inside the tube and local bumed gas temperature behind the curved flame tip. The experimental findings show that the flame curvature plays an important role as an indicator of the transition pbenomena to the explosive turbulent motion in the acoustic field.
The C02 laser method employed here could successfully control the initiation of the transition process by the development of an artificial disturbance, which made it possible to observe the phe‑
nomena precisely with highly‑resolved imaging. In the present study, it has been pointed out that the transition phenomena were controlled by the condition such as acoustic amplitudes, flame surface area, acoustic frequency and fiame shapes etc. This work will give the fundamentals to understand the thermal‑acoustic instability, which is prevalent and unwanted in a high‑load performance combustor.
Keywords: Acoustic Instability, C02 Laser Method, Diffusive‑thermal Instability, Flame Curvature, Hydrodynamic Instability, Lewis Number, Propagating Flame, Pressure Gradient.
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学位論文審査の要旨 主 査 教 授 藤 田 修 副 査 教 授 大 島 伸行 副 査 教 授 近 久 武美 副査 准教授 中村祐二
学 位 論 文 題 名
Research on the rI ｀ ranSientPhenomenafromaLaminarFlat F1ametOTurbulentFlameMOtionSbyLaSerIrradiationMethod
（レーザー照射法を用いた層流平面火炎の乱流挙動への遷移過程に関する研究）
ガ ス ター ピ ン 燃 焼 器に お い て は し ぱし ぱ 、 火 炎 と音 響 場 の 相 互作 用 に 起因す る不 安定現 象が大 き を 問 題 と 誼 り、 こ れ が 時 には 燃 焼 器 の 破損 要 因 に も をり う る 。 こ の 問題 に対 し、よ り根本 的款 対応 を 行 う に は 、火 炎 と 音 響 振動 の 相 互 作 用を 基 礎 的 立 場か ら 理 解 す る こと が求 められ る。こ れに 関連 す る 従 来 か らの 研 究 と し て、 伝 播 管 と 呼ぱ れ る 管 に 燃料 ・ 空 気 混 合 気を 封入 しその 中で生 じる 気柱 振 動 に よ り 伝播 火 炎 が 不 安定 化 す る 過 程を 観 察 す る 手段 が 取 ら れ て いた 。し かし、 この不 安定 化の 進 展 に つ い ては 初 期 火 炎 に現 れ る 擾 乱 の形 態 が 重 要 を影 響 を 与 え る にも 関わ らず、 従来こ れが 全く 制 御 さ れ て おら ず 、 実 験 系に 依 存 し て 受動 的 に 現 れ る初 期 火 炎 の 変 形か らの 不安定 性の進 展を 観察 す る 研 究 し か存 在 し て い 教か っ た 。 こ のた め 、 こ れ まで 初 期 擾 乱 と その 後の 不安定 性の進 展の 関連 は 十 分 に 明 らか に さ れ て いる と は 言 え 教い 。 本 研 究 では 、 ま ず 管 内 伝播 火炎 が完全 に平面 状に 教る 条 件 を 実 験 的に 見 出 し た 後、 こ こ に 外 部か ら 炭 酸 ガ スレ ー ザ ー を 照 射し 火炎 の変形 を任意 に制 御す る と い う 新 た教 手 法 を 導 入す る こ と で 、火 炎 の 初 期 擾乱 と そ の 後 の 不安 定性 の進展 の関連 を明 らか に し よ う と して い る 。 こ の結 果 、 初 期 の変 形 の 大 き さに よ り 火 炎 が 乱流 状態 へ遷移 する臨 界値 が存 在 す る こ と や、 平 面 火 炎 から 乱 流 状 態 への 遷 移 の 際 に生 じ て い る 物 理的 過程 を明ら かにす る教 ど、
重 要 教 成 果 を得 て い る 。
本 論 文 は 全 6章 で 構 成 さ れ て お り 、 以 下 に 各 章 の 概 要 お よ び 成 果 を ま と め る 。 第1章 で は 、 火 炎 の 不 安 定 性 の 進 展 に 関 す る 一 般的 社 理 解 お よ び従 来 の 研 究 を俯 瞰 す る と とも に 、 従 来 研 究の 課 題 を 考 察し た 。 さ ら に、 こ れ に 基 づぃ て 、 本 研 究 の目 的を および その意 義に つい て 述 べ て い る。
第2章で は 、 本 研 究で 用 い た 装 置に つ い て 記 述 する と と も に 、初 期 平 面 火 炎の 実 現 に 必 要教 混 合 気 組 成 お よ び伝 播 管 形 状 につ い て 示 し てい る 。 ま た 、炭 酸 ガ ス レ ー ザー を用 いた火 炎面形 状制 御手
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法 の 原 理 、 す教 わ ち 混 合 気中 の 燃 料 成 分（ エ チ レ ン ） にレ ー ザー を選択 的に吸 収させ これに より 局 所 的 款 燃 焼 速度 を 制 御 す る手 段 に つ い て詳 細 に 説 明 を 行っ て い る 。
第3章で は 、 前 章 で説 明 し た 装 置 を用 い て 平 面 火炎 に 任 意 の 変形 を 与 え ら れる こ と 、この 変形を 与 え る こ と で本 来 平 面 火 炎と し て の 伝 播し か 生 じ 教 い 火炎 を 任意 に不安 定化さ せ乱流 状態へ の遷 移 を 引 き 起 こ すこ と が で き るこ と を 示 し てい る 。 ま た 、 初期 変 形の 程度に よって 、乱流 状態に 遷移 す る 場 合 と し 教 い 場 合 が あ り 、 遷 移 の 生 じ る 限 界 条 件 が 存 在 す る こ と を 示 し た 。 第4章で は 、 前 章 の結 果 か ら 乱 流 状態 ヘ 遷 移 す る典 型 的 教 条 件を 取 り 上 げ 、こ れ に ついて 初期擾 乱 の 発 生 、 その 後 の 不 安 定性 の 進 展 、 そし て 乱 流 状 態 への 遷 移の 過程を 高速度 カメラ により 克明 に 観 察 し 、 こ こで 生 じ て い る物 理 過 程 を 明ら か に し て い る。 ま た、 この観 察から 、初期 擾乱が 発展 し 火 炎 の 表 面 積が 拡 大して いく過 程には 、Le(ルイ ス数） が1より小 さいこ とによ るDiffusive・Thermal InstabiHぢ が重 要 没 役 害 『Jを 果 た す こと を 指 摘 し て いる 。
第5章で は 、 火 炎 の変 形 が 進 展 し 、あ る瞬 間に先 端が負 の曲 率（凹 型の形 状）を 持つ と、そ の直後 に 火 炎 前 縁 に折 れ 曲 が り が生 じ 急 激 に 表面 積 が 増 大 し 、燃 焼 強度 も急激 に増大 するこ とで乱 流状 態 に 遷 移 す る こと を 指 摘 し てい る 。 ま た 、こ の こ と か ら 、乱 流 への 遷移に 要する 時間は 火炎先 端に 負 の 曲 率 が 現 れる ま で の 時 間で 議 論 で き るも の と し て 、 レー ザ ー照 射強度 と乱流 状態へ の遷移 時間 と の 関 係 を 議 論し て い る 。 さら に こ の 乱 流状 態 へ の 遷 移 は、 火 炎先 端の曲 率があ る一定 値に到 達し た 際 に 生 じ る こと を 実 験 的 に示 し た 。
最 終 章（ 第6章 ） は結 諭 で あ り 、 本研 究 で 得 ら れた 知 見 の 総 括を 行 う と と もに 、 今 後の研 究の課 題 等 に に つ いて 述 べ て い る。
こ れ を要 す る に 、 著 者は 、 従 来 制 御す る こ と が 出来 数 か っ た火炎 の初期 擾乱を 管内 平面伝 播火炎 と レ ー ザ ー 照射 法 を 組 み 合わ せ る こ と で任 意 に 制 御 可 能と し 、こ の実験 的手法 により 火炎の 初期 擾 乱 に よ り 乱 流燃 焼 へ の 遷 移を 能 動 的 に 引き 起 こ す こ と を可 能 にし たうえ で、そ の遷移 がどの よう を 物 理 的 過 程 を経 て 生 じ て いる か を 明 ら かに し た 。 さ ら に、 乱 流状 態への 遷移の 限界条 件につ いて 先 端 曲 率 が 重 要教 因 子 と 教 って い る こ と を明 ら か に し て おり 、 その 成果は 、エネ ルギー 機器開 発に 関 連 す る 熱 工 学 、 教 か で も 燃 焼 工 学 へ の 発 展 に 貢 献 す る こ と 大 教 る も の が あ る 。 よ っ て 著 者 は 、 北 海 道 大 学 博 士 （ 工 学 ） の 学 位 を 授 与 さ れ る 資 格 あ る も の と 認 め る 。
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