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 ) .