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研究概要
- 2. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 1/12 発表内容 予燃焼室 1. 研究背景 2. 研究目的 3. パイロン付キャビティ保炎器の設計 4. 実験装置 5. 実験条件および方法 6. 非燃焼試験 7. 燃焼試験 8. 噴射圧および当量比による火炎の変化 9. OH-PLIF計測 10. 今後の予定
- 3. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 研究背景 (http://www.stanford.edu) スクラムジェットエンジン概略図 宇宙輸送や旅客機の高速化といった観点からスクラムジェットエンジンが注目されている p 極超音速域で高い比推力を得られる p 流入空気の滞在時間が1 msのオーダーであるため安定した燃焼が困難 スクラムジェットエンジンの特徴 実現への課題 キャビティ概略図 Flame 1. 燃焼器内で迅速な混合および安定した着火・保炎ができる 2. 保炎器で火炎を安定させつつ主流中心に火炎伝播させる p 圧力損失が低く，再循環流により安定した着火・保炎 が可能 p 流入空気への貫通が弱く，火炎は壁面近傍に限る キャビティ保炎器 2/12
- 4. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 パイロン -‐ キャビティ概略図 パイロン パイロン付キャビティ保炎器 ～パイロン付キャビティ保炎器を用いた燃料噴射～ パイロンの存在によって貫通力が上がり，パイロン背後とキャビティ内の圧力差により上 向きの速度が誘起されることで火炎を主流中心にて形成することができる． ～上向き速度の発生原理～ パイロンの後端で膨張波が発生する パイロン背後にて低圧領域の生成 キャビティ内との圧力差によって 上向き速度が誘起される パイロン付キャビティ保炎器を用いた燃焼場 および流れ場に関する研究は少ない． これまでのパイロン付キャビティ保炎器の流れ場に関する研究[1] [1] Andrew B. Freeborn et al., AIAA paper 2008-4709, (2008). 3/12
- 6. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 パイロン付キャビティ保炎器の設計 ü ダクト内でのチョークを防ぐ ü パイロンから発生する衝撃波を 弱くする ～設計において重要なパラメータ～ パイロン角 : 20.7° 幅 ： 12 mm 高さ ： 17 mm 長さ ： 45 mm ブロッケージ率 : 3.78 % [2] G. B. Northem et al., AIAA 89-2525 (1989). 1) パイロンから発生する衝撃波を弱くするためにはパイロン角をなるべく小さくする 必要がある 2) Northem et al. によるとダクト内でのチョークを防ぐためにはダクトに対するパイロン 断面積ブッロケージ率が20%以下であることが必要[2] ・パイロンがダクトに対して占める断面積率 ・適切なパイロン角の設計 Main stream Main stream 5/12
- 7. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 Main stream Pre-burning chamber ← Supersonic nozzle Diffuser → 実験装置 予燃焼室 Air tank Storage heater Stilling chamber Diffuser Silencer Test section 超音速燃焼風洞試験設備 パイロン付キャビティ保炎器 Main stream 6/12 風洞試験部概略
- 8. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 実験条件および実験方法 ～実験方法～ 水素及び空気をチャンバー内において混合・着火させることで 予燃焼ガスをキャビティ底面噴射孔から主流に噴射させ， 超音速流中の噴流をテストセクション観測窓からCCDカメラに よって火炎写真およびシャドウグラフの同時撮影を行う． 主流および燃料供給系概略図 主流条件 噴流条件 ・マッハ数 : 2.5 ・全圧 : 0.5 MPa ・全温 : 520～710 K ・燃料 : 予燃焼ガス (水素＋空気) ・全圧 : 0.6，1.2 MPa ・当量比 : 1.5，2.8，3.8 H2 H2 Solenoid valve Orifice Regulator Mainstream Storage heater Air tank Main valve Chamber Ignite Pre-burned gas Pre-burned gas Main stream 7/12
- 9. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 非燃焼試験(噴射なし) Cavity shear layer & LE expansion Ø ダクト内でのチョークを防ぐためにブロッケージ率を 20 %以下に抑えたことで超音速流を達成 Ø キャビティ前縁からせん断層および膨張波が形成 Ø アフトランプ斜面から斜め衝撃波が形成 Ø パイロン角の先端から弱い斜め衝撃波が形成 ü 設計構想が反映されているか ü パイロン付キャビティ保炎器特有の流れ場を再現しているか ～非燃焼実験の目的～ パイロン付キャビティ保炎器 特有の流れ場を再現 Flow direction 今回の実験で得たシャドウグラフ写真 Freebornらによる シャドウグラフ写真[1] 8/12
- 10. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 燃焼試験 Pjet = 0.77 MPa, To = 717 K, φ = 2.53 Pjet = 0.75 MPa, To = 691 K, φ = 1.64 真横から見た写真 少し下から見上げた写真 Ø 火炎は壁面から離れ，主流中心にて形成 Ø キャビティ内に火炎は存在しない パイロンの存在により，噴流はパイロン上部まで到達 キャビティ内に予燃焼ガスが滞在しにくい環境である可能性 燃焼ガス中の赤色発光は 水蒸気発光によるものである[3] [3] 佐藤ら 第45回日本燃焼シンポジウム講演論文集 2007 pp.496-497 Flow direction Flow direction 9/12 パイロン背後の低速域と主流速域に おいて速度差が生まれる 自由せん断層が形成され，混合促進
- 11. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 燃焼試験 Pjet = 0.77 MPa, To = 717 K, φ = 2.53 Pjet = 0.75 MPa, To = 691 K, φ = 1.64 真横から見た写真 少し下から見上げた写真 Ø 火炎は壁面から離れ，主流中心にて形成 Ø キャビティ内に火炎は存在しない パイロンの存在により，噴流はパイロン上部まで到達 キャビティ内に予燃焼ガスが滞在しにくい環境である可能性 燃焼ガス中の赤色発光は 水蒸気発光によるものである[3] [3] 佐藤ら 第45回日本燃焼シンポジウム講演論文集 2007 pp.496-497 Flow direction Flow direction 9/12 低速域 主流速域(高速域) 自由混合層 パイロン背後の低速域と主流速域に おいて速度差が生まれる 自由せん断層が形成され，混合促進
- 12. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告噴射圧 1.5 2.8 3.8 0.6MPa 1.2MPa 噴射圧および当量比による火炎の変化 当量比φ [-] Ø いずれの噴射圧でもφ2.8において火炎発光最大 Ø 噴射圧を高くした場合 ⇒ 貫通力が強くなり，主流中心から外れる キャビティのアフトから下流にかけて発光を確認 10/12 予燃焼ガスの一部はパイロン背後から 外れ，キャビティや低速域に滞在する 主流中心の火炎から熱を 供給され着火に至る より広範囲で火炎を 形成できる可能性
- 13. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告噴射圧 1.5 2.8 3.8 0.6MPa 1.2MPa 噴射圧および当量比による火炎の変化 当量比φ [-] Ø いずれの噴射圧でもφ2.8において火炎発光最大 Ø 噴射圧を高くした場合 ⇒ 貫通力が強くなり，主流中心から外れる キャビティのアフトから下流にかけて発光を確認 10/12 予燃焼ガスの一部はパイロン背後から 外れ，キャビティや低速域に滞在する 主流中心の火炎から熱を 供給され着火に至る より広範囲で火炎を 形成できる可能性 Main jet Sub jet Heat Ignition
- 14. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 OH-PLIF計測 瞬時画像 積算画像(40枚) Ø 予燃焼ガス中のOHラジカルは確認できない ⇒火炎に含まれるOHラジカルより少ないため Ø 下流の火炎は捉えられていない ⇒レーザーシートの長さが足りていないため 分けて撮影する必要あり Ø パイロン上部にてLIF強度が大きい ⇒自由混合層によって混合が促進され，火炎 が形成されている ～OH-PLIF計測の目的～ ・レーザー出力 : 12 [m/J] ・励起波長 : 282.929 [nm] ・シート入射は噴射口を通る中心線上 レーザー条件 Flow direction Ø パイロン背後から火炎は形成されている ⇒パイロン後流に渦が形成されている可能性 11/12 レーザー誘起によってOHラジカル分布を特定し，火炎構造を解明する．
- 15. 高速反応流研究分野 小林(秀)・早川研究室 ゼミ 進捗報告 今後の予定 Ø 噴射圧および当量比を変えてOH-PLIF計測を行う Ø 燃焼の強さを定量的に評価するために壁圧計測を行う Ø パイロン付キャビティ保炎器の流れ場構造のより具体的な可視化のためにPIVを行う Ø 単孔噴射の実験が終わり次第，多孔噴射供試体のための配管を組む 風洞実験 Ø Fluentを用いて，噴射圧および当量比を変えた場合の計算を行い，燃焼メカニズムを 明らかにする． 数値計算 12/12