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狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード

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Vol
日 本 燃 焼 学 会 誌 第 46巻 1
3
8号 (
2 4年) 2
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-原著論文/ ORIGINALPAPER.
狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード
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石 井 一洋 1* ・ 伊 藤 和 久 2料・坪井
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2 4年 9月 2日受付;2 4年 1
0月 24日受理/ R
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. 緒言
デト ネー シ ヨンの伝播限界条件を調べる ことは,防爆の
ための基礎的なデータを提供することとな る.円管内を伝
ネーシヨンが形成 される.速度欠損の主要な原因は,壁へ
7
]ため
の摩擦損失により衝撃波面背後の運動量が失われる [
8
.
9
]
であり,セルサイズという反応誘導距離と関連する量 [
とは物理的意味合いが異なる.速度欠損に関しては,解析
播するデトネーションの伝矯限界は古くから調べられてお
2
]により定量的評価が
的手法 [10]や数値 シミュレーション [
り[
1
],各種混合気に対して伝播可能な最小直径の存在が確
行われており,また 一次元解析では,摩擦損失の付加によ
認されている [
2
]
. Dupre らは,直径が段階的に変化する管
1
1]
.
り振動解が生ずることがわかって いる [
を用いて,セルサイズが管内周と等しい場合がデト ネーシ
これまでに著者らは,円管内に設けた 長 さ 500m mの間
ヨンの伝播限界条件であることを系統的に調べている
隙に定常デトネー シ ョンを入射させ,間隙の幅および混合
[
3.
4
]
. しかしながらデトネーションが間隙内に進入する場
気組成がその後のデトネーシヨン伝播へ及ぼす影響を調べ
合には,セルサイズより小さい間隙長においても,速度欠
てきた [
5,
6
]
. しかしながら間隙入射後直後では,運動量損
損を伴うものの定常的に伝播することが可能でらあることが
失による衝撃波の減衰と,デトネーション波面背後の燃焼
5
.
6
]
. この場合,伝播は間隙面内における衝
わかっている [
ガスによる衝撃波駆動とがバランスせずにオーバードリブ
撃波三重点の衝突・移動に支配され,いわゆる二次元デト
ン状態にあるため,混合気によっては長さ 5 mm の試験
*Co町 民pondingauthor.E-mail:[email protected]
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材 現 所 属 :三菱重工業株式会社
干6
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5
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5 神戸市兵庫区和田崎町トト l
∞
区間では定常伝播の確立に不十分となる可能性があり,ま
た大幅な速度変動など‘の不安定性を示す場合については,
伝播挙動の全容を把握するに足るだけの長い試験区聞が必
(
3
7
)
∞
244
日本燃焼学会誌第 4
6巻 1
3
8号 (
2 4年)
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形状のピエゾセラミック素子により圧力波を検知する構造
となっている.またプローブ設置が間隙内におけるデトネ
ーション挙動に影響を与えないように,イオ ンプロープは
フラッシュマウントとする必要がある.そのため上述の受
圧面が電極も兼ねており,絶縁用のデルリンを挟んだ外周
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0
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の円環状の電極との聞に電圧を印加している. したがって
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圧力波面検出部はプロープ中心,反応面検出部はその外周
の円環部となり,厳密には両波面検出位置は異なるものの,
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ほぽ同一計測地点で衝撃波面と反応面の到達を個別に捉え
ることができる.なお,本圧力プロープではピエゾセラ ミ
ック素子の固有振動数の補正は行っておらず,衝撃波のよ
要となることがわかった.そこで本研究では,試験区間の
うな急峻な立ち上がりの圧力波に対しては出力が大きく振
長さを 1500m mへと延長し,主としてその伝播挙動に重
動する結果となる.そのため本プロープでは圧力の絶対値
点をおいて,間隙内を伝播するデトネーシヨンに関して実
測定は行わず,出力信号の立ち上がりから衝撃波面到達の
験的に調べた.当量比および希釈気体の割合を変化させる
検出のみを行っている.
ことで,様々なセルサイズのデトネーションを間隙に入射
2
.
2
. 実験条件
させ,伝播速度およびセルサイズの変化よ り伝播モードの
実験条件を Table1に示す.試験気体は水素一酸素混合
特定を行った.
気をペースとし,試験部の初期圧力は 39kPa一定であり,
当量比およびアルゴン,窒素の希釈率を変化させることに
2
. 実験方法
よりセルサイズを変化させた. Table1におけるセルサイズ
2
.
1. 実験装置
は間隙入射前での実測値であり,どの条件においてもセル
本研究で使用したデトネーシヨン管は F
i
g
.1に示すよう
サイズは間隙長 2m mより大きい.なお,反応性の低い混
に全長 5,
350m m,内径 5
0
.
5m mのステンレス管である.
合気の場合には, F
i
g
. 1~こ示される長さ 850 m mの駆動部
500m m,幅 46m mの一対のステンレス
試験部には長さ 1,
に水素一酸素量論混合気を充填し,駆動部にて生じたデト
板が挿入されている. Fig.2に試験部の詳細を示す.ステ
ネーシヨンにより試験部にデトネーションを起動させた.
ンレス板の間に金属製スペーサーを挟むことにより,横幅
このとき駆動部の初期圧力を 52kPa'"65kPaの範囲で調整
40m m,高さ方向 2m mの間隙が構成されている.ステン
し,試験部でデトネーションが生ずる下限の圧力付近に設
レス板表面に煤を塗布することにより,間隙内のセル構造
定した.駆動気体総発熱量に対する試験気体総発熱量の比
の変化を観察することができる.
は
, Table1のアルゴン希釈 80%の場合で 0
.
61,窒素希釈
55%の場合で1.1である.
試験部には,圧力プロープとイオンプロープを組み合わ
一般に,反応性の高い気体のデトネ ーショ ンを駆動部と
せたプロープ(以後,コンビネーション・プロープと呼ぶ)
5個設けられてい
が,試験区間入口より 100m m ごとに 1
して反応性の低い気体にデトネーションを起動させる場合
る.コンビネーション・プロープの構造を Fig.3に示す.
には, どこまで駆動気体の影響が残存しているかという問
.
2m mの受圧面を介して,円筒
圧力プロープは,厚さ約 0
題がある.また反応性の低い気体に対して,駆動気体を用
(
3
8
)
石井一洋ほか,狭い間隙内におけるデ トネーショ ンの伝播モード
245
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宝
生じた場合にも,速度は定常値を示しているものの定常伝
た場合の速度履歴およびセルサイズの変化を示す.図の横
1
2
]
. この場合は,火炎伝
播には到っていない場合もある [
軸は間隙入り口からの距離を表している.距離 0 における
播初期に生じた圧縮波によって予め圧縮された混合気中を
速度は,間隙に入射するデトネーシヨンの速度であるが,
デトネーションが伝播してゆくためと考えられ,反応性の
前述の間隙手前に設置した 3個のイオンプロープによる測
低さから DDT距離が長くなる場合にも,定常伝播の確認
定値をプロットした.これはほぼ C
J速度を示しているこ
に注意を要することを示唆している.本研究では,伝播速
とがわかる.間隙に入射して約 l割程度の速度欠損がある
度が C
J速度とほぼ一致し,さらにセルサイズが他者の定
ものの,その後は間隙内を一定の速度で伝播している.間
常伝播のデータと一致するか, という双方から定常伝播の
隙入射前のセルサイズは 4.0m mであり,間隙内ではセル
確認を行なった.具体的には,試験部へ入射するデトネー
が大きくなる傾向にあるが,ほぽ規則正しいセル構造を示
ション速度は間隙手前の 3個のイオンプロープにより測定
している.以上よりデトネーションは間隙内を定常伝播し
し,さらに間隙直前に設置した煤膜から測定されたセルサ
ていると考えられる.本実験では当量比ゆ=0
.
3
'
"
'
'1
.
5,ア
イズを文献 [
9,1
3・1
7]と比較して,間隙入射前に定常デトネ
ルゴン希釈率 5
0
'
"
'
'
7
0
%,窒素希釈率 1
5,25%の場合に
ーションが確立されていることを事前に確認した.
s
t
a
b
l
eモードを示した.
混合気の点火は,一時電流遮断型の点火回路を用いて管
端に設置した自動車用点火栓にて行った.さらに DDTを
3
.
1
.
2 quasトstableモード
促進させるため,管端部にはスパイ ラルを挿入した.
入射するデトネーシヨンのセルサイズを s
t
a
b
l
eモード時
i
g
.
よりも徐々に大きくした場合にこのモードが現れた. F
5に示されるように,伝播速度に関しては衝撃波面,反応
3
. 実験結果および考察
面ともに若干の変動があるもののほぼ一定であり, s
t
a
b
l
e
3
.
1
. f
云播モード
モードとの大きな差異は見当たらない.一方,煤膜記録で
本実験では,二次元的な間隙形状における速度測定結果
はセルサイズが大きくばらつくとともに,間隙長方向に移
および煤膜記録のおけるセル構造の変化から, s
t
a
b
l
e,
動する三重点がステンレス板で反射する際に残す痕跡であ
q
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eの 5種類の伝播
る slappingwave[18]が顕著に見られる.間隙内では幾つか
モードが確認された.以下に各モードに関して記す.
の三重点の消失とともにセルが大きくなっていくが,側壁
となる金属製スペーサーにおける三重点、の反射の後に再び
3
.
1
.
1 stableモード
Fig.4に水素一酸素量論混合気をアルゴンで 50%希釈し
細かいセルが出現しており, この繰り返しが速度変動に影
響していると考えられる.
(
3
9
)
246
日本燃焼学会誌
∞
第 46巻 1
3
8号 (
2 4年)
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Fig.5の煤膜記録は間隙を構成す るステン レス板の内の
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.
3
している. したがって進行方向が互いに垂直な三重点がそ
れぞれ独立に伝播してゆく,二次元デトネーションが実現
されていると考えられる.本実験のようにアスペクト比の
大きいチャンネル断面においては,間隙長方向の波の伝播
は抑制され,主として 40m mの間隙幅方向への三重点の
時の同一条件 におけ る 2回の結果を示しており,煤膜記録
伝播によってデトネーションが維持されていると考えられ
=0.2, 1
.7,2.0および窒素希釈率 40%時に quasiる. o
はその内の白抜きの記号に対応している.このモードでは
s
t
a
b
l
eモードが現れた.
他のモードと異なり速度履歴には再現性はない.また, 一
J速度以上の伝播速度を示すこともあ
時的ではあるが C
り,煤膜記録に示されるように細かいセルの出現とともに
3
.
1
.
3 gallopingモード
に強いオーバードリブン状態を示している.
管内を進行するデトネ ーシ ヨンの伝播限界条件付近で
は,大幅な加速・減速を繰り返す gal
Jo
pingデト ネーション
Jo
pingデトネーションでは,衝撃波面と
管内における gal
1
8
2
0
]
. F
i
g
.6 に示される
が出現することが知られている [
反応面とが完全に分離して,三重点の伝播そのものが消失
ように,間隙内を伝播する場合にも同様な現象が確認され
2
0
]
. さらにデトネー
した後に反応面の加速が生じている [
た.この場合,デトネーシヨンは間隙入射後に急激に減速
ション波が再形成される箇所では DDTと同様な細かいセ
し,幾つかの三重点の消失とともにセルが大きくなってゆ
ル構造の出現を呈しており,デトネーション波の再形成に
く.その後も波面の減速が続い て lつの三重点が存在する
は少なくとも数 m 以上の距離を要している.本実験では,
のみとなり,衝撃波面と反応面との分離が生ずる.煤膜記
三重点の側壁における反射によりデトネーシ ヨンが維持さ
録では三重点の軌跡も希薄となり,軌跡そのものが捉えき
Jo
pingデトネーショ
れていると考えられ,管内における gal
れない部分も存在した.その後は波面が加速を開始し,側
ンと伝播機構が必ずしも同一で、あるとは断言できない. し
壁での反射の後に細かいセルが出現し,波面の減速ととも
かしながら,細かいセルの出現および大幅な速度変動があ
にセルが再び大きくなってゆくことを繰り返していく.
Jo
pingと呼ぶこととした.本実
ることとから,現象的に gal
Fig.6は煤膜記録の片側であるが,もう l枚の煤膜記録に
験ではゆ=2
.
0
"
"
'2
.
5の場合に このモ ー ドを示した.
も対称なセル構造が観察されており, この場合も二次元的
現象であることがわかる.また, Fig.7は gallopingモー ド
(
4
0
)
石井一洋ほか,狭い間隙内におけ るデ トネー ションの伝播モード
(
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m
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.
5
.
ンと同様と考 えられ るが,相違点とし ては側壁での反射に
3
.
1
.
4 singleheadモー ド
前述したように,円管内におけるデトネーシヨンの伝播
よる三重点の強化があり,これが速度変動に影響している
限界条件はセルサイズが内径円周と等しい場合とされてい
可能性が考えられる .波面は平均して C-J速度の約 6割程
る[
1,
2
]
. このときは lつの三重点、が螺旋状に回転しながら
度の速度で伝播しており,通常のスピン・デトネー ション
伝播してゆくスピン・デトネーションとなる.また矩形断
の伝播速度よりも遅い結果となっている.
面においてもスピン・デトネーションが生ずることがわか
s
i
n
g
l
eheadモードはゆ=2
.
5および窒素希釈率 45%の場
っている [
2
1
]. 本実験では,間隙を含む面内で移動する l
合に見られたが,前者では gallopingモードが生ずることも
つの三重点、が,側壁における反射を繰り返すことで伝播を
あった.このように同一条件においても 2つのモードが共
維持するモードが存在した. Fig.8にその場合の煤膜記録
.
0では q
u
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i
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b
l
eモードと
存する場合があり,他にゆ=2
と速度履歴の代表例を示す.同図は煤膜記録の片側である
g
a
l
l
o
p
i
n
gモードの両者が確認された.この原因としては間
が,もう 1枚の煤膜記録にも対称な痕跡が残されていた.
隙に入射する定常デトネーションの三重点の個数が,実験
これから,三重点は断面内で回転することなく間隙面内を
ごとに必ずしも同一ではないことが挙げられる.すなわち,
ジグザグに移動していることがわかる.速度履歴は細かい
入射する 三重点の個数が比較的多い場合には,より安定な
変動をしているが,これは直線配置したプロープにより速
モードで伝播すると考えられ,同一条件における複数の伝
度測定を行ったスピン・デトネーションの場合にも見られ
播モードの存在はデ トネーシヨン波面自体の不安定性 [
2
3・
ることがある.スピン・デトネーシヨンでは,その波面構
2
7
]にも起因していると考えられる.
造が単純な一次元的なものではなく,湾曲した衝撃波面お
よび反応面,スピンの本体である横波により構成されてい
3
.
1
.
5 f
a
i
l
u
r
eモード
る[
2
2
]
. したがって,プロープ位置を波面のどの部分が通
これはデトネー シヨ ンの伝播に失敗した場合であり,伝
過するかに応じて速度測定結果にも変動が現れることとな
播モードと呼ぶことには無理がある. Fig.9 にアルゴン希
る.本モードにおいても波面構造はスピン・デトネーシヨ
釈率 80%の速度測定結果を示す.間隙に入射した後, デ
(
41)
∞
248
日本燃焼学会誌第 46巻 138号 (
2 4年)
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vは間隙内における平均
トネーションは定常伝播に至る ことなく減速を続け,やが
ここ では Vo間隙入射前の速度 ,
て 250m mを過ぎた付近から衝撃波面と反応面との分離が
速度である. Fig.IOに s
t
a
b
l
eおよび q
u
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i
s
t
a
b
l
eモード時の
始まり,反応面の再加速も生じない.煤膜記録においても,
速度欠損を示す.ここで横軸は,間隙長を間隙入射前のセ
間隙入射後よりセルサイズが大きくなり, 300mm付近で
ルサイズで除した無次元量としている.セルサイズは混合
セル構造は消えてしまう.水素一空気量論混合気とほぼ等
気固有の値であり, d
e
t
o
n
a
b
i
l
t
yを示す尺度として取り扱う
しい組成となる窒素希釈率 55%に関しでも同様の結果と
ことができる.速度欠損は混合気の粘性, C-J面までの波
なった.
面構造に依存するため,単純にセルサイズのみで整理する
ことができるとは言い難い. しかしながら,セルサイズと
3
.
2
. 速度欠損
デトネーション波面背後の反応誘導距離とは密接な関係が
一般に,セル構造を考慮することなく C-J条件から熱力
あることが知られており [
8,9
],衝撃波面から C
J面までの
学的に計算される C-J速度は,セルサイズよりも十分大き
距離もまたセルサイズと関連することが考えられる [
2
8
]
.
な空間を伝播するときのデトネーシヨン伝播速度の測定値
J面における粘性係数は混
また水素一酸素混合気では, C
と良い一致を見る. しかしながら,狭い間隙内を伝播する
合気組成が異なったとしても 10%程度の変化を示すのみ
場合にはデトネ ーシ ョンは速度欠損が生じ, C-J速度を下
5
],波面背後は複雑な波面構造に起因する乱流構造
であり [
回る速度で伝播することとなる.定常デトネーションを移
が存在する [
3
1
]ことから,むしろ乱流境界層が支配的であ
動座標系における一次元モデ、ルで考えれば,衝撃波面背後
る可能性が高い. したがって実験式的な意味合いが強いも
は亜音速であるが,その後は Taylor膨張波により増速し,
のの, Fig.10に示されるようにセルサイズで無次元化した
流速と局所音速が等しくなる C-J面以降は超音速となる.
間隙長で速度欠損を整理することが可能であると考えら
この座標系では壁面はデトネーション伝播速度で下流に移
れる.
動することとなり, したがって境界層がデトネーション伝
Fig.10において,同ーセルサイズであっても希薄混合気
J面まで
播に影響を及すことが可能なのは衝撃波面から C
では過濃混合気より速度欠損が少なしまた希薄側ではセ
となる [
7之8
.
2
9
]
. このような一次元モデルは,セル構造を
ルサイズを変化させても速度欠損にはあまり影響しない結
考えていない点で現実的ではない. しかしながら多次元計
果となった.これはデトネーションの波面構造に関係して
算としても波面下流においていずれは超音速へと移行する
ーいると考えられ,一次元数値シミュレーションの結果では,
ため,いわゆる C-J波面形状が一次元計算よりも複雑化す
運動量損失を付加してゆくと衝撃波面から C-J面までの距
るものの,速度欠損の機構は同様と考えられる [
3
0
]
.
離が短くなる [
6
]
. 混合気組成が量論比から外れるほど一般
に反応誘導時聞が長くなるが,一方で水素一酸素混合気に
本研究では速度欠損 .
I
1V(%)を以下のように定義した.
I
F
V
;
)
,
、re
、
‘
ι
1 -V
.
1
.V
=
_
"
_
I
I
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一 xl00
関しては等量比の増加とともに C-J速度が増大する.その
ため希薄混合気と過濃混合気で同ーの反応誘導時間であっ
たとしても,衝撃波面から C-J面までの距離は前者の方が
(
4
2
)
石井一洋ほか,狭い間隙内におけるデ トネーシヨ ンの伝播モード
249
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60
4
. 結言
80
当量比および希釈率を変化させる ことで得られる様々な
セルサイズのデトネーションを,高さ方向 2m m,幅 40
m mの間隙内に入射させて,その後の伝播の様子を実験的
に調べた.この二次元的間隙を伝播するデトネーションの
15
速度測定および煤膜記録の結果から s
t
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eの 5種類の伝播モードが存在す
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-1
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ることがわかった.また本実験条件では,セルサイズで無
次元化した間隙長で速度欠損を整理できるが,希薄混合気
0-
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eモードでは,速度欠損はセルサイズに
あまり依存しない.さらに希釈気体の種類は間隙内の伝播
に大きく影響を及ぼし,同一希釈率ではアルゴ、ン希釈と比
Q
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e
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t
a
b
l
e
。
較して窒素希釈では速度欠損が大きく,間隙内における伝
播能力が低い ことがわかった.
ー
・
.
0.5
1
.
0
1
.
5
2.0
2.5
3.0
References
Eguivalencer
a
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i
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F
i
g
.1
1
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短くなり,主流からの運動量の損失割合も小さいと考えら
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19
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)
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れる.アルゴンおよび窒素希釈の場合には,以上の説明だ
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.,Joannon,J
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. Lee,J
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. and
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. Dupre,G.
けでは不十分であり,セル構造を考慮に入れた解析が必要
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.
である.
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1 に当量比および希釈率を変化させた場合の速度欠
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損および伝播モードを示す.同一希釈率であっても,窒素
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希釈の場合は速度欠損が大きしまた伝播が不安定となり
やすいことがわかる.管内を伝播するデトネーシヨンに関
2789-2794(
2
0
0
2
).
しては,一般にアルゴン希釈の場合は煤膜記録におけ る三
7
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:283-289(
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9
)
.
重点、の奇跡が明瞭で、あり,比較的均一なセルが得られる.
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.
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それに対して窒素希釈ではセルサイズがぱらつく傾向があ
る. これらに関して,近年 LIF等を用いたデトネーション
(
19
8
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)
.
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.
.
波面の可視化により,乱れを伴う波面構造の相違が不安定
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8
)
.
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性に起因していることが明らかにされている [
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.
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1
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).
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においては,希釈気体の相違による衝撃波面構造の乱れが
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運動量損失に影響していることが考えられる.
本研究では,間隙断面のアスペクト比が固定された条件
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において実験を行っている.アスペクト比を変化させてデ
トネ ーシ ョン伝播を調べた実験では,セル構造の規則性の
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.(
19
7
3
)
.
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iangminas,R
.
, Watson.R
.H.,andEyman,
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3
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相違により伝播限界条件のアスペクト比依存性が異なる結
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.1
1
:683-692(
19
6
7
).
果が得られている [
3
2
]
. この実験では,ワイヤースクリー
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4
)
.
ンを使用して管側壁における横波の反射を抑えている点が
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.
.Mitrofanov.V.V.,andSubbotin,V.A..
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異なるものの, アス ペクト比によ って伝播モードならびに
速度欠損が異なる可能性が示唆されており,今後の検討課
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題である.
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19
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9
)
.
(
4
3
)
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250
日本燃焼学会誌第4
6巻 1
3
8号 (
2 4年)
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