水素-空気予混合火炎のダイナミクスに及ぼす熱損失効果(詳細な化学反応を含む圧縮性N-S方程式に基づく数値計算)

摘要

近年我々は，温室効果ガスの排出による温暧化及び自動車などから排出される窒素酸化物や粒子状物質による大気汚染などの地球規模の環境問題に直面している.これらの主な要因が化石燃料の燃焼によるものである.更に，化石燃料の使用量は世界的に年々増加の一途を辿っており，化石燃料の枯渇も大きな問題となっている.そのため，環境負荷の低減に結び付く燃焼技術の確立が急務となっている.環境負荷を低減する燃焼の燃料として水素が挙げられる.水素は化石燃料に比べて単位質量当たりの発熱量が高く，可燃範囲が広く燃焼速度も大きいという特徴を持つ.また，水素は炭素成分を含まず，燃焼において全く二酸化炭素を発生しない.更に，希薄燃焼させることで，窒素酸化物の発生量を抑制することができるなどの利点を有する.しかし，水素は酸化剤である空気より軽いことから，この予混合火炎は固有不安定性により不安定になることが知られている.燃料が水素などの気体燃料で酸化剤が空気の場合，予混合火炎は様々な要因により不安定な挙動を示しやすくなる.この不安定挙動は予混合火炎の固有不安定性によるもので，主に流体力学的効果と拡散·熱的効果が要因である.流体力学的効果とは，火炎面を横切る気体の熱膨張により生じる効果である.拡散·熱的効果は，燃焼現象における不足成分の物質拡散と熱拡散の相互作用により生じる効果である.水素-空気予混合気において，酸化剤の空気よりも燃料の密度が小さい場合の希薄予混合燃焼の不安定性に大きな影響を及ぼす.拡散·熱的効果について議論するときは，ルイス数が重要となる.ルイス数が1より大きいとき，熱拡散が物質拡散よりも優先的に行われ，ルイス数が1より小さいとき，熱拡散よりも物質拡散が優先的に行われる.多くの場合，ルイス数が1より小さい条件下でセル状火炎が観察される.つまり，セル状火炎の形成にはルイス数の大小が大きな影響を及ぼす.