管状火炎に与える化学反応と熱損失の効果

9
9号 :4
3
5
6
. 1
9
9
5
燃焼研究
一
文
一
=富田-
一ム冊一
一
噛
丸
一
一
研
一
管状火炎に与える化学反応と熱損失の効果
1
9
9
4年 9月 1
6日受理
朱学雷↑
西 岡 牧 人I
田 村 守 淑I
中 村 泰 久I
竹 野 忠 夫1
1
はじめに
予混合気の回転流中に形成される管状火炎は，
伸長や曲率が火炎の安定や構造にどのような影
響を与えるかを調べ，火炎の基本的性質を明ら
かにする上において極めて有用な研究対象であ
1
.
2
).図 1に，予混合気が
り，在日されている (
タ〆ヌ シ仲骨日ク弘必クシ少%多件。外科叩勿タクμ引多クタ，
外側から中心に向かつて吹き出されたとき形成
F
i
g
u
r
e2 T
u
b
u
l
a
rl
Ia
.
me2
.
される管状火炎 lを示す.我々はこの火炎につ
いて，これまでに一連の研究を行い，火炎の安
定と構造について検討してきた (3-7)
管状火炎が形成される.我々は この火炎を管状
火炎 2と呼び，最近になって簡単な総括反応に
基づき，火炎面モデルを用いた漸近解析と数値
計算によって，火炎の構造と安定に与える伸長
と曲率の効果を調べた (8-10) しかし，これらの
研究においては，解析を簡単にして基本的性質
を明らかにするために，流れについては非圧縮
非粘性の流れ，化学反応については極めて単純
F
i
g
u
r
e1 Tubularf
l
a
m
巴l.
な 1段の総括反応が用いられている.また輸送
係数および熱力学的パラメータについても，成
これに対して，図 2 で示すように予混合気
を中心から外側に向かって吹き出したときにも.
分や温度への依存性が考慮、されていない
この
火炎は，予混合気の吹き出し速度が大きいとき
1名古屋大学工学部
には，未燃混合気速度と燃焼速度とのバランス
I東邦ガス株式会社総合技術研究所
によって，外壁面近傍で安定化される.このと
4
3
き壁面での熱損失や表面反応が火炎の安定や構
ことり.
デルを示す.円筒座標の原点を管の中心 l
造に大きな影響を与えるものと予想される.前
(
Z
3
1
1
α
) で軸方向，半径方向距離，および回転
回(10)では最も基本的な場合とし て，断熱かつ表
角度を表し， (
u，
u，
ω
)で、それぞれの方向への速
面反応の存在しないときの火炎 についてのみ検
' 成分の質
度成分を表す.与えられた温度 TR"，1
討を行った
量分率 Y
;
， Ro の混合気が，回転する多孔質壁面
本研究においては，実験との対応を前提にし
より一様な速度 (
0，
'
VR
o
'ωRO) で吹き出されて，
て，より現実的な条件のもとに数値計算を行っ
半径方向に向かつて流れ，火炎を通過した後に，
て，火炎の構造や安定を明らかにし，前回の結
燃焼ガスとなって外壁に沿って軸方向に外に向
果と比較検討を行うことを目的とする.このた
かつて流れる.ここで添字 Roは内壁での値を
め，流れ場に対しては密度変化を含めた相似解
示す.この流れと火炎を以下の仮定を用いて解
を用いるとともに，詳細な化学反応機構と正確
析を行う.
1
. 流れと火炎は定常かっ軸対称であり，外力
な輸送係数を考慮した計算を行う.また火炎背
は存在しない.
後の壁面での熱損失の効果についても検討する.
2 混合気は理想、気体として ふるまう.
一般に熱損失は，個々の実験における外側の管
の材質や肉厚，さらには境界条件などに依存し
3
. 圧力拡散は無視する
て変化するので，普遍的な取扱いが難しい.本
4 流れ場を通して熱力学的圧力
p は一定と
する.
研究においては，壁面での温度に対する 2つの
5
. エネルギ一式において，圧力による仕事，
境界条件を導入して，熱損失の影響を評価する
ことを試みた.第 1は断熱火炎温度より低い壁
山 I 効果は無
粘性による散逸，輯射， Duf
温を指定する条件.第 2は壁面から流出する熱
視で きる
6 回転速度は考えない.
流束を指定する条件である.一方.表面反応に
ついては，壁面での反応機構が十分に解明され
7
. 壁面上では表面反応は存在しない.
ていない現時点では，その効果を適切な形で計
8
. 壁面では温度または温度勾配が指定さ れ
る.
算に含めることは殆ど不可能に近い. このため
本研究の対象外とした.
なお，同様な火炎についての理論および実験
2
.
2 支配方程式と境界条件
的研究がすでに行われ，熱損失の効果が検討さ
れている (11) しかし対象となっている火炎は，
予混合気の吹き出し速度が比較的に小さく，内
壁面での火炎上流への熱損失が火炎の安定に重
この解析モデルに対して，温度 1，i成分の
1
質 量 分 率 九 密 度 p，半径方向速度 u が r の
みに依存する相似解を用いる.連続の式
去
か
(
や
仰
叩
1叩
ρ
仰
別
'
u
仰附
要な役割を果たしており.本研究が対象として
いる火炎とは異な った安定化機構に基づく火炎
である.
を満たす流れ関数宙を次式でで‘導入する.
並(
X，
I
'
)= :
rF(l
'
)
2 解析モデルと支配方程式
2
.
1 解析モデル
(
2
)
F は rのみの関数で，速度 U，V はそれ ぞれ次
式で表 される
dF
。
¥
I
t
x
r
ρ v= 一
万
管 内に形成された軸対称の管状火炎 2の解析モ
4
4
= -1'
)
qd
(
θ¥
I
t
r
'y
O'U =
一ー
一
一
ー
一f-.ー
δ
T一
ー ‘ d
'
r
図 2 には，内径 Ro・外径 R の無限長 さの
このと き支配方程式と境界条件は以下のように
また逆方向の比反応速度は kf と平衡定数から
なる.
運動量の方程式:
算出する .
(dF)2pFd/ldF
fyzl戸京
d r d (1dF¥1.
-p
rd
1
'μ
lrdr¥.戸([f)J pr-n=u
EF
3 反応機構
(
4
)
'
JTT
本研究においては，理論混合比から希薄側に
十
かけてのメタン空気混合気を対象とした. こ
成分の連続の式:
F手4
t
(
洲 町 )一山Wj=O
の範囲の混合気に対しては，メタンの酸化過
2
c
h
e
r
n
i
s
l
r
yはそれほど重要では
程において C
(
5
)
なし反応機構を Cl -chelIl i~try で十分正確に
エネルギ一式:
記述することができる (12) 従って. M
i
l
l
e
rと
FdT 1d (、 dT¥
Tr-r
d
r，¥Jll
"T
r)
Bowman(
13
)の C
lchemistryをそのまま用い
-c
P
:
;
:
!
+pph
，
2 7 2 M同 =。
dT
た.表 1に本研究で考慮した 2
0穫の成分，ま
(
6
)
5組の素反応とその速度定数を示す.
た表 2に 7
気体の状態方程式;
T
a
b
l
e1 AdoptedS
p
e
c
i
e
s
。
印刷
吋
LA
ー
ρcbr
α
---2M
Fl2
それぞれ 1成分の質量分率，定圧比熱，分子量.
α00
CH
C
の圧力，密度.粘性係数，熱伝導率.定圧比熱.
平均分子量を表し. Y
;
. Cp，
j
. Wj • 1
1
;
. h j • ωg は
E4HE
COO
同
O
W はそれぞれ混合気
H
ただし. p
.p
. μ，入 .cp •
αcH
(
7
)
刊
畑町叩
W
蕗
ρ=
拡散速度，比エンタルビー，反応による単位体
積についてのモル生成速度である.
境界条件:
rニ R
o
・
4 計算方法および計算条件
dF
F=一ρRORoUR09EF=o
，
4.
4 計算方法
Y
;=Yj"Rn' T=TRn
r
"=R
dY;
T
dF
F =O 寸 一 =0.
(
8
)
^
守
~
a1
'
dT
~
よ=0，T=Tw o
r ってヶ =-g
u'/
^
a
r
数値計算は Keeらにより開発された汎用プロ
グラム rCHEMKINJ (14-16)を用い，一次元火
)を部分的に改造して
炎に対するプログラム(17
以上の (
4
)一(
8
)式は 2点境界値問題を与え，
行った.計算格子は不等間隔であり，温度と各
固有値 H はこれを数値的に解いた結果求めら
成分濃度の勾配あるいは曲率が限界値を超える
れる.
と新たに絡子点を設けた.格子点の総数は 170
L
J
J
z は各素反応、によって
i成分が生成される速
~
2
5
0程度である.各方程式の 2次微分の項と
度の総和であり.そのときの反応速度は質量作
対流項の離散化には精度のよい中心差分を用い
用の法則に従う.また正方向反応の比反応速度
た
-般に解の精度は，差分のスキーム，格子
は次のアレニウス型の温度依存性を持つものと
の数および刻みの大きさに依存する.本研究の
する.
計算においては，上記の計算条件でさらに刻み
卦)
kf= ATsexp(-
(
9
)
4
5
を小さくして格子の数を増やしても ，得られた
e
a
c
t
i
o
nSchemeandRateC
o
n
s
t
a
n
t
si
nt
heForm
T
a
b
l
e2 AdoptedR
kf= AT{
3e
x
p
(-EjROT)
N
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R
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.
8ooE26
SRIP
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5
0
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・0
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7
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n
c
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s
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H2=
2
.
0，CO=
2
.
0，c q=
3
.
0，H p=
5
.
0
+
O
~
CH
+
H0
7
.
9
0
E
1
3
2
. CH
j
4 2
2
2
.
2
0
E
0
4
3
. CH
+
H
~CHj
+
叫
4
4
. CI九 +OH~CHj + H P
1
.60E06
1
.02E09
5
. CH
4+0 ~ C~ +OH
02
1
.8
0
E
l
l
j+H2
6
. CH
4+H 0
2~ CH
7
. CH
2
.
o
o
E
1
3
j+H0
2~CHp +OH
2
.
0
5
E
1
8
8
. CH
j+O2 ~ CHp+0
8
.
0
0
E
1
3
9
. CH
3 + 0~CIも O+H
1
.00E14
j+OH
1
0
. CHpH+H ~ CH
1
1
. CHp+H ~ CH
1
.ooE14
3 +OH
7
.
50E06
1
2
. CH
+
OH
~
CH
+
H
P
2
3
1
3
. CH
9
.
0
0
E
1
3
j+ H CH
+
司
2
1
.00E14
1
4
. C H p + M CHp+ H+ M
1
.ooE14
1
5
. CHpH+M ~ CHp+H +M
2
.
o
o
E
1
3
1
6
. CHp+H~CHp +H2
1
7
. CHpH+ H~CHp +司
2
.
o
o
E
1
3
1
8
. CHp+OH~ CHp+問。
1
.00E13
1
9
. CHpH+OH~ CH
0 +H P
1
.ooE1
3
2
2
0
. CHp+0 ~ CHp+OH
1
.00E13
21
. CHpH+O~CHp +OH
1
.ooE13
2
2
. CHp+ q~CIも o +H02
6
.
3
0
ElO
0 +H 0
1
.48E13
2
3
. CHpH+O2 ~ CH
2
2
1
.oo
El8
2
4
. CH
2+H ~ CH+H2
1
.
13E07
2
5
. CH
2+OH~CH +略。
2
.
5
0
E
1
3
2
6
. CH
2+OH~ CHp+H
3
.
3
0
E
1
3
2
7
. CH+ 0
2~HCO +0
5
.
7
0
E
1
3
2
8
. CH+O~CO + H
3
.
o
o
E
1
3
2
9
. CH+OH~HCO + H
3.
40E12
3
0
. CH+C0
2~ HCO+CO
1
.
17E15
31
. CH+H20~CHp + H
1
.
10Ell
3
2
. CH
2+CO
2~ CHp+CO
5
.
o
o
E
1
3
3
3
. CH
2+0 ~ CO+2H
3
.
0
0
E
1
3
3
4
. CH
2+0 ~ CO+H2
1
.60E12
3
5
. CH
2+O2 CO
2+2H
CH
4+H +M ~:CH4 +M
∞
∞
∞
4
6
P
1
.00
3
.
0
0
0
.
0
0
3
.
0
0
2.
10
1
.50
O
.
0
.
0
0
1
.
5
7
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
2
.
0
0
O
.
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
1
.5
6
2
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
O
.
O
.
0
.
0
0
0
.
7
5
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
∞
∞
E
[
c
al
/
m
o
l
]
O
.
O
.
5
6
0
0
0
.
8
7
5
0
.
2
4
6
0
.
8
6
0
4
.
1
8
7
0
0
.
O
.
2
9
2
2
9
.
O
.
O
.
O
.
5
0
0
0
.
1
5
1
0
0
.
2
5
0
0
0
.
2
5
0
0
0
.
O
.
O
.
O
O
.
O
.
O
.
2
6
0
0
.
1
5
0
0
.
O
.
3
.
0
0
0
.
O
.
O
.
O
.
O
.
6
9
0
.
O
.
1
0
0
0
.
O
.
O
.
1
0
0
0
Table2
N
o
.
3
6
.
3
7
.
3
8
.
3
9.
40.
.
41
4
2
.
4
3
.
4
4
.
4
5
.
46.
4
7
.
4
8
.
4
9.
5
0
.
51
.
5
2
.
53.
5
4
.
5
5.
5
6
.
5
7.
5
8
.
5
9
.
60.
61
.
62.
6
3
.
6
4
.
6
5.
6
6.
6
7
.
6
8.
c
o
n
t
i
n
u
e
d
P
A
R
e
a
c
t
i
o
n
s
CH
:
>CHp+0
5
.
0
0
E
1
3
2+O2 <
CH
:
>CO
6
.
9
0
E
l
l
2+O2 <
2+H2
1
.90EI0
CH
:
>CO+時0
2+O2 <
CH
+
O
<
:
>
CO
+
OH
+
H
8
.
6
0
ElO
2 2
CH
:
>HCO+OH
4.
30ElO
2+O2 <
CHp+OH<
:
>HCO+H p
3
.
4
3
E
0
9
2.
19E08
CHp+H <
:
>HCO+H2
CHp+M <
:
>HCO+H +M
3
.
3l
E1
6
CHp+0 <
:
>HCO+OH
1
.80E13
HCO+OH<
:
>H P+CO
I
.00EI4
HCO+M <
:
>H +CO+M
50E14
2.
凶 b
o
d
yE
f
f
i
c
i
e
n
c
i
e
s
:
Enhanced Th
1
.9，H2=1ゑ CH
2
.
8，CO
3
.
0，H P=
5
.
0
CO=
4=
2=
HCO+H <
:
>CO+H2
1
.
19E13
HCO+0 <
:
>CO+OH
3
.
0
0
E
1
3
HCO+0 <
:
>c q+H
3.
00E13
HCO+O2 <
:
>H0
3.
30E13
2+CO
CO+0 +M <
:
>c q+M
17E14
6.
CO+OH<
:
>CO
1
.51E07
2+H
:
>c q+0
CO+O2 <
1
.60E13
H0
:
>CO
5.
80E13
2+CO<
2+OH
:
>20H
H2 +O2 <
1
.70El3
OH+H2 <
:
>H P+H
1
.
17E09
o+OH<
:
>q + H
4
. E14
o+H2 <
:
>OH+H
5.06E04
:
>H0
H +O2 +M <
3
.
6
1
E
1
7
2+M
Enhanced T
h
i
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o
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c
i
e
n
c
i
e
s:
HP=18.
6，C q=4.
2，H2=
2
.
9，CO=2.
1
，1
も=1.3
OH+H0
:
>H P+q
7.50E12
2<
H +H0
:
>20H
1
.40EI4
2<
0+H02~02+0H
1
.40El3
20H o+ H
0
6
. E08
2
2H+ M~H2 + M
I
.00E18
EnhancedT
h
i
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b
o
d
yE
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f
i
c
i
e
n
c
i
e
s
:
H2=0
.
0，H P=0
.
0，CO
=
0
.
0
2
2H+H2 ~21毛
9.20E16
2H+HP H2 + H P
6
. E19
2H+C0
も+cq
5.
4
9E20
2~ 1
H +OH+ M~Hp + M
1
.60E22
Enhanced T
h
i
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n
c
i
e
s
: H2
0=5.0
∞
∞
∞
∞
∞
47
0
.
0
0
0
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0
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0
.
0
0
∞
O
.
0.
00
1
.
18
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.
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0
0
0
.
0
0
0.
00
0
.
0
0
0
.
2
5
0.
00
0
.
0
0
0.
4
0
0
.
0
0
1
.
30
0.
00
0
.
0
0
∞
O.
1
.30
0
.
5
0
2
.
6
7
0
.
7
2
0
.
0
0
0
.
0
0
0.
00
1
.30
同
1
.00
0
.
6
0
1
.25
2.
00
2.
00
調
E
[
c
a
I/
m
o
l
]
9
0
0
0
.
5
0
0
.
ー1
000.
5
0
0
.
5
0
0
.
4
4
7.
3000.
8
1
0
0
0
.
3
0
8
0
.
O
.
1
6
8
0
2
.
O
.
O.
O.
O
.
3
0
0
0
.
ー7
58.
4
1
0
0
0
.
2
2
9
3
4
.
4
7
7
8
0
.
3626.
O.
6
2
9
0
.
O
.
O.
1
0
7
3
.
1
0
7
3
.
O
.
O
.
O
.
O.
O
.
O.
o
n
t
i
n
u
e
d
T
a
b
l
e2 c
N
o
.
R
e
a
c
t
i
o
n
s
P
A
E
[
c
a
l
/
m
o
l
]
6
9
.
7
0
.
.
71
7
2
.
7
3
.
7
4
.
7
5
.
H +0+ M~OH+M
6
.
2
0
E
1
6
E
n
h
a
n
c
e
d百r
i
r
d
b
o
d
yE
f
f
i
c
i
e
n
c
i
e
s
: ~0=5.0
1
.8
9E13
20+ M~02 + M
H +H0
1
.25E13
2~ H2+O2
2
.
o
o
E
1
2
2H0
2~ HP2+O2
1
.
3
0
E
1
7
HP2+M ~ 20H+M
1
.60E12
HP2+ H~H02 +H2
HP2+OH~ H2
0 +H0
1
.
∞E13
2
計算が行われているものと考えられる .
4
.
2 計算条件
O
.
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
0
.
0
0
O
.∞
0
.
0
0
1
7
8
8
.
O
.
O
.
4
5
5
0
0
.
3
8
0
0
.
1
8
0
0
.
2
4
0
0
(
回¥F)
加(ぞE
O) ﹀
結果は変化しなか った.従って，十分な精度で
0
.
6
0
ー
世=1
.
0
0
.
0(atm)
p=1
VRO=1
000(
c
m
/
s
)
H
3
1
6
0
0
8
0
0
計算を行った管の 大きさ は，内径 R
o=0
.
5
v
cm，外径 R=1
.5cmである. これは管状火炎
1についての同様な数値計算 (6，
7，
18
)との比較を
4
0
0
行うためと，著者らの管状火炎 2に関する実験
8
0
0
の寸法に合わせるためである.また，混合気の
圧力 PRoニ1.0atm，温度 TRo=298K とし， 当
量比 ρ
L が 0.
47
-1
.0の範囲の混合気に対して，吹
き出し速度
0 1~~O
0
.
5
0
VR
。を変化させて計算を行った.熱
0
.
7
5
1
.
0
0
1
.
2
5
1
.
5
0
r(cm)
損失の効果を調べるための一定の壁面温度とし
F
i
g
u
r
e3 Flowf
i
e
l
d
.
0
0
ては，断熱火炎の消炎時の火炎温度より約 1
k 低~、温度を採用した.また，流出する熱流束
るが，予熱帯に入ると急激な温度上昇に伴う 密
に対応する温度勾配の値も同様な考えで決めた.
度の減少のため大きく加速される.その後外側
これらの計算結果を断熱の結果と比較検討した.
に向かつて再び減速されて外壁で。にな る.
I方向速度
方，車h
増加する
U
は軸方向距離 z に比例して
半径方向には外側に向かつて u
j
xが
5 断熱火炎の構造と安定
増加し，予熱帯に入るとともに加速され る. 外
5
.
1 流れ場
壁に近づくと粘性によって減少し外壁で 0に
なる.このように密度変化の存在によって，流
まず断熱火炎についての結果を前回の結果と
れ場が大きく変化していることが分かる .
速度 υRo=1
0
0
0cmjsの場合の流れ場の構造を
f
!=0
.
5における流れ場を，
図 4 には当量比 '
前回の非圧縮非粘性流に基づ、く計算 (10)と，今回
示す.半径方向速度 uは外側に向か つて減少す
の密度変化を考慮、した計算結果とを比較して示
比較 した.図 3に，当量比 '
f
!=1
.0，吹き出し
4
8
す. ここ で無次元パラメ ータおよび無次元半径
方向速度 V と密度
hは前回の計算に合わせて，
以下のように定義されている.
5
.
2 火炎構造
2400X10-3
r
0
.
3
4
.
0
革
ト
∞d
)
U
ハ
(
1
6
盲目i
=ROVRo‘. r
Pe=ROVRo.
=
e=一
一
ー
一
一
.
κRo
VRo
Re
d
2
.
0
h=l-，的 )=d r ( 1 )
飯田
PRo
CH~O
CH，
<
コ
0
.
0
「
X10
0
.
0
2
11
111
3
.
0
<
>
<
C
l
，
.
一
一
一
ー
一
一
1
1
1
2
.
0
1
.2
d
"
'
PREVIOUS
PRESENT
手=0.5
08
0
.
0
1
CH1
0.
4
1
1
1
1
.3
1
.
5
供 =1
.
0
0
p=1
.
0(
a
t
m
)
VRO=1
000(
c
m
/
s
)
0
.
0
x10-5
00
6aX4
，~同 = 0.0(cm)
t
'
:
，
/A Ro=
0
.
5(cm)
1
.
0
1
.
4
r(cm)
2
.
0
1
.
0
0
.
5
2
AW4
0
0
.
0
1
.5
1
.
5
r(
c
m
)
F
i
g
u
r
e5 F
l
a
m
es
t
r
u
c
t
u
r
e
F
i
g
u
r
e4 F
l
o
wf
i
e
l
d
.
図 5に図 3と同じ条件での火炎帯内部の温度
と主な成分の濃度分布を示す縦軸は温度 Tと
式(
5
)，(
6
)から分かるように.濃度場や温度
各成分のモル分率でーある.主要な反応帯背後に
場を支配する式において，対流項として現われ
るのは
U
CO，H2' H，OH
. 0 など中間生成物や反応活
そのものではなく， ρuである.従って
性基が存在し，その再結合反応により火炎温度
図 4においては， ρuの無次元量台V を比較し
て示しである.また，前回は内径 Ro=0
.
0cm
の場合について計算を行っているに対して，今
る. このため，まず，前回の解析解を用いて内
l
u
ef
l
a
m
e
今回の計算では.実験で観察される b
径の影響を評価した.図 4から分かるように，
tVは Ro=0
.
5cmの方がわずかに小さくなる.
また密度変化を考慮した今回の結果と比較する
と，tVは非圧縮の場合に比べて，流れ場全体
に対応させて.反応活性基
CHの最大濃度の位
置を火炎位置八とした
5
.
3 火炎位置
にわたって小さくなっている ことが分かる.し
V
る.しかし外壁においても，なおこれらの中
間生成物がかなりの濃度で存在している ことが
分かる.
回は Ro=0
.
5cmの場合についてのものであ
かし
が緩やかに上昇し，外壁において最大温度にな
そのものに見られるような大きな相違
図 6に，当量比 ψ = 0
.5 における温度と発熱
は生じていない.
速度 Q の分布を，同一の混合気吹き 出 し量に
4
9
x10~
1800
﹄
- -PRESENT
Pe=6
6
.
8
1200
" =0
.
5
一+一世=1
.
0
0
0
ー
-<
/
>=
0
.
8
0
ー→一一世=0
.
6
0
2100
(
X
)
ι
↑
(
X
)ト
Eobω)O
円。円
{凶・凹
ー
-PREVIOUS
p=1
.
0(
a
t
m
)
4
1800
ト
¥
600
O
0
.
5
0
0
.
7
5
F
i
g
u
r
e6
1
.
0
0
r(
c
m
)
1
.
2
5
O
1500
1
.
5
0
1000 2000 3000 4000
VRO(
c
m
/
s
)
O
Flames
七r
u
c
t
u
r
e
.
F
i
g
u
re7 Flametemperaturep
l
o
t
t
e
d
a
g
a
i
n
s
ti
n
j
e
c
t
i
oIl v
e
l
o
c
i
i
y
.
対して前回と今回の結果を比較して示す.前回
の一段の総括反応による発熱が比較的狭い領域
で集中して行われているのに対して，今回の多
1
.
5
0
(EO)4
数の素反応による発熱が幅広い領域で行われて
いることが分かる.前回の発熱の分布のピーク
位置を
rq として図の上に示す.また，今回の発
1
.
4
5
熱の分布のピーク位置は，前述した CH濃度の
'，にほぼ一致する.図 6から分か
ピーク位置 1
るように，前回の火炎が外側の壁近くに位置し
ているのに対して，今回の火炎はかなり 内側に
1.
4
0
存在していることが分かる.図 4の tVの線上
に九と
rq が記入しであるが，対応する
ー←一 世=0
.
6
0
----cト- <
/
>
tVの
=0.80
0
一
一 世=1
.
0
0
値は今回の方が大きい.すなわち，今回の質量
p= 1
.
0(
a
t
m
)
燃焼速度の方が大きく.このため火炎が上流に
2000 3000 4000
VRO(
c
m
/
s
)
向かつて伝播して.より速い混合気流速の位置
4EU
4EU
G
、
‘
lr
l0y ・
川
1
p
A
QU
正
O
十 ut
1
仁
d
lう
1y
・
t
--
児
pAO
-
on
nc
Qu
4EU
aI
・
リ
l
PA--
n
8 .訓
冒
目
、
おいて，吹き出し速度
'
p=
vih10
図 7と図 8に，当量比
1
5.
4 吹き出し量に対する応答
eg
σ凸
I
・
F
に安定化されていることになる.
1
.0，0
.
8，0
.
6に
VRoを変化させた とき の
小さな当量比に対しては，りんによる
TR の変
外壁での温度(最大温度 )TR と火炎位置九の
変化を示す.3つの当量比とも.吹き出し速度
化が著しく，火炎を安定化できる限界の吹き山
叩。が大きくなると，外壁での温度 TR が減少
ても，吹き出し速度りんが大きくなると火炎
は外壁に向か つて 移 動 し 火 炎 位 置 '1'*が大き
し限界のりんに到達すると火炎は消炎に至る.
し速度が小さくなる
5
0
」方.どの当量比に対し
図 9と図 1
0には， 当量比
r
.
p=0
.
5における吹
. の変化は， r
.
p=0.
8 と1.0
くなる.このとき r
に対しては比較的に緩やかであるのに対して，
き出し P
e
c
l
e
t数 Pe，すなわち混合気吹き出し
r
.
p=0
.
6では変化が大きし消炎するときの九
量，を変化させたときの外壁での温度(最大温
度)TR と火炎位置 r牟の変化を，前回と今回の
が小 さく なる.
計算結果を比較して示す
こ こ で 九 と Teq は
それぞれ前回と今回の計算に対応する断熱火炎
温度である.なお前回の計算は L
e
w
i
s数 L
e=1
(
v
c
zト
1600
に対するものである.
<
>
一
一 PRESENT
一
一 PREVIOUS
吹き出し量の増加ととも火炎温度は低下し.
世 =0
.
5
火炎位置は外側に向かつて移動し，臨界の吹き
.
1500
!
.
q
出し量において消炎に至る.この基本的ふるま
Teq
.
Ta
いは，前回の簡単な計算によってももたらされ
ている.しかし.その詳細はかなり異なってい
る.まず今回の温度の低下は前回に比べてかな
り緩やかであり，消炎時の火炎温度は約 5
0K
低い.さらに消炎に至る臨界 P
e
c
l
e
t数は 4倍
0
1300
以上も大きい.また同 じ P
ε に対して火炎位置
200
は今回の方がはるかに小さい.すなわち火炎は
常に内側に存在し，消炎時の火炎位置も内側に
4EU
ρ
l
V
，
d
6tw
o
P
&
ρし
1
u
引
存在する.以下にこのような相違がもたらされ
FA
巴
u
ιb'hU
Im
し
e
pn
う
AEUP
ue
t
el-A
1
mP4
afは
l
FAm
a
gb
a
F
i
g
u
r
e9
600 800
Pe
400
る理由について考察する.
まず，前回の計算に対して用いた断熱火炎温
度
T
a は必ずしも適切な値でなく.今回の値に
比べて小さい値となっている. このことが前回
1
.
5
0
の火炎の燃焼速度が，今回の火炎のものに比べ
(EO)
て小さくなった原因のひとつになっている .ま
た今回の計算では Peの増加，すなわち伸長の
増加，とともに火炎温度が初めは増加している.
1.
4
5
これは多数の成分を考慮、した今回の計算におけ
る有効 L
e
w
i
s数が1.0 より小さく.このため
伸長の増加とともに超過エンタルビーがもたら
され.火炎温度が増加しているためと考えられ
1.
40
る.これが今回の火炎がより安定となっている
手=0
.
5
lつの理由である.さらにもっと大きな理由とし
ー
ー PPRREEVSIEONUTS
て，多数の素反応からなる反応機構の火炎伸長
ー+ー
0
1
.
3
5
200
400
に対する応答特性が挙げられる.図 5において
600 800
Pe
説明したように，主要な反応帯背後においても
火炎温度は中間生成物の再結合によって緩やか
F
i
g
u
r
e1
0 F
lamep
o
s
i
t
i
o
np
l
o
t
t
e
d
a
g
a
i
n
s
tP
e
c
l
e
tnumb巴1'.
に増加する.吹き出し量が増加し，それによ っ
て火炎の伸長が増加して火炎温度が低下しよう
5
1
とすると，その温度の低下を妨げる方向に再結
合反応が進行して発熱がもたらされる . このた
1
.
0
め Peの増加に対する火炎温度の低下は，総括
反応のときの低下に比べてはるかに緩やかにな
マ
弘
、
る.従ってまた.質量燃焼速度の減少も緩やか
になる.このように火炎伸長に対する火炎の応
答は，一段の総括反応の場合に比べてより柔軟
性を持つことになる.これらのことが，図 4に
l
lの減
示した密度変化によってもたらされる t
少とあいまって.火炎がかなり内側において安
p=1
.
0(
a
t
m
)
定化 され原因となり，さらに臨界吹き出し量が
一ー』ー TUBULARFLAME 1
大き くなる原因となっている .
0
0
.
4
5
.
5 火炎の安定範囲
-一+ー TUBULAR FLAME 2
3000
6000
9000
Pe
F
i
g
u
re1
2 S
t
a
b
i
l
i
t
yc
u
r
v
eo
ff
l
a
m
e:
1
.
0
compιrisono
ft
u
b
u
¥
a
rf
i
a
m
e1and2
.
ヨ
マh
STABLE
めに，横車自には吹き出し速度の代わりに吹き出
0
.
8
し流量，すなわち Peを用いている.管状火炎
lに対する結果は，今回と同ーの化学反応機構，
輸送係数，熱力学的パラメータの値を用いて計
算した結果 (18)である .図から管状火炎 2の安定
EXTINCTION
0
.
6
範囲は管状火炎 lに比べて，はるかに広くなっ
ていることが分かる
p=1
.
0(
a
t
m
)
0 .4~
o
管状火炎 lと管状火炎 2
とも，火炎伸長率 K は吹き出し P
e
c
l
e
t数に比
例するい前回明らかにしたように，管状火炎
1000 2000 3000 4000
lでは曲率が火炎伸長の効果を強調する
VRO(
c
m
/
s
)
この
ため .Peが大きくなって火炎半径が小さくな
Figur
巴 1
1
S
t
a
b
i
l
i
t
yc
u
r
v
eo
ff
l
a
m
e
.
ればなるほど，ますます山率の効果が効いて火
炎伸長の効果が強調され，消炎が起きやすくな
図1
1に吹き出し速度 VRoと当量比 vに対す
.0から減
る火炎安定範囲を示す.当量比 vを 1
る. このため当量比が増えて理論混合比に近づ
いても.臨界吹き山し量はそれほど大きくはな
少させると，臨界吹き出し速度はわずかに増加
ら な い 方 管 状 火 炎 2では，曲率が火炎伸長
した後再び減少する.このとき，臨界吹き 出 し
の効果を抑制する性質がある
.
9
7のとき最大となり.その
速度は当量比が約 0
きくなって消炎に近づくとともに火炎半径が大
値は 4620cm/sである.
きくなり，曲率の効果は小 さくなる.特に消炎
しかし P亡が大
vに
時の火炎半径は十分に大きく.曲率の効果は殆
対する火炎安定範囲を，管状火炎 lと管状火炎
ど現われない.また図 8から分かるように，消
2を比較して示す.管の内径の影響を取り除くた
炎時の曲率半径は当量比とともに増加する
2に吹き出し Peclet数 P
ε と当量比
図1
5
2
こ
のため当量比が増すほど.臨界吹き出し量に与
燃焼速度が減少して，より混合気流速の遅い位
える曲率の効果は小さくなり.平面火炎のふる
置に押し流されたためと考えられる.また濃度
).
まいに近づく ことになる(10
分布においては，壁面に向かつて
逆に
c
oが 減 少 し
CO2や H20が増加している.これはすで
に 5.4において説明した.再結合反応の効果に
6 熱損失の効果
よるものと考えられる .すなわち，熱鍋失によっ
て火炎温度が低下しようとすると，それを妨げ
6
.
1 火炎構造
る方向に再結合反応が進行して発熱がもたらさ
れる.このようなふるまいは一段の総括反応に
~ー
-ー (
o
T
f
d
l
'
)'
_
R
CO
b I
一
一 - TR: 16
国{悶
2EB}
，
、
;
;I
官、こさヨ
27
曲 1
2
曲
1200
基づく計算では観察されない効果である.なお
一-(灯油~_A ，
，0
ー
ー
熱損失の型が火炎構造に与える効果は殆ど存在
(
d
T
/
d
r
)
.
.
.
.
."
'-48
70(KI
，聞}
1
8
0
0
800
しない.
400
吹き出し量に対する応答
6.2
2700
{U孟}ト
ーーー (dT/dr
)
，
..
I
I
"
'
O
2200
0
.
2
∞
ト
ι
J
内
q
a
(
d
T
/
d
r
)時 =0
(
d
T
/
d
r
)
'
=
R=4870
(
K
l
c
m
)
ー←ー T
6
0
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与えたときの流れ場と火炎構造を.断熱火炎の
3に示す.一定壁画温度と
場合と比較して図 1
600K.一定勾配としては
しては 1
次に理論混合比の火炎に対して上記の 2つの
4870K/cm
型の熱損失を与え.吹き出し量を変化させたき
の値を用いた . 図から分かるように速度分布は
の火炎温度(火炎帯最高温度)と火炎位置の応
外側にわずかにずれるだけで，熱損失が流れ場
答を調べた.その結果を断熱火炎に対する応答
一方火炎
と比較して図 1
4と図 1
5に 示 す 熱 損 失 の 存 在
構造においては，いずれの火炎も最高温度が低
によって火炎温度は低下し.臨界吹き出し速度
下し ，火炎が外側の壁に向かつて移動している
は小さくなる.吹き出し速度が増えて火炎伸長
ことが分かる. これは火炎温度の低下によっ て
が大きくなったときの火炎温度の低下は ，熱損
に与える効果はそれほど大きくない
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る相違は.採用した{直に依存して変化するので
定の熱損失の方が低下がより早いが，臨界速度
一般的な評価は難しい.
に近づくと逆に一定熱流束の方が早くなって先
に消炎する.このときの臨界火炎温度も一定熱
流束の方が高い.また熱損失があると火炎位置
7
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士号会
中ロロ附1
は断熱の場合よりも外側に移動する .これは燃
多数の素反応からなる詳細な反応機構を考
焼速度が減少するためである.吹き 出 し速度の
慮、した計算においては，再結合反応の効果
増加に対する応答は，火炎温度の場合と同じく
によって，伸長や熱損失に対する火炎の応
壁面温度一定の方が早い. しかし臨界速度に近
答に 柔軟性が生じる.すなわち，火炎温度
づ くと火炎温度の場合と閉じく.一定熱流束の
を低下させる要因に対してそれを妨げる方
方が応答が早くな って先に消炎する
向に発熱がもたらされ，火炎の応答が緩や
かになる
6
.
3 安定範囲
2
. 臨界吹き出し量と当量比で表わす火炎安定
図 1
6に熱損失がある場合の安定範囲を断熱
範囲において.管状火炎 1の範囲は管状火
の場合と比較して示す.一定壁面温度としては，
炎 2の範囲に比べて著しく狭い. これは，
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47における断熱火炎の消炎時の
曲率が伸長に与える効果が強調されて現
当量比
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われるためである
3
. 熱損失の存在は流れ場には殆と影響を与え
K の値を採用した .また一定熱流束の値は今ま
でと同じ 9= 4870K/cmを用いた.図から明
ないが，温度分布や濃度分布などの火炎構
らかなように.熱損失の存在は安定範囲を狭く
造に影響する .このため火炎温度が低下し
する.特に希薄側での影響が大きく，臨界吹き
て燃焼速度が小さくなり，臨界の吹き出し
出 し速度が著しく小さくなる.熱損失の型によ
速度も小さくなる.また火炎伸長に対す る
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) 朱，西岡，竹野，“火炎の安定に与える曲率
の効果"第 3
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希薄側で著しい.
(
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) 竹野，朱，西岡，“管状火炎の安定の研究"，
;燃焼研究， 9
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