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急速混合型管状火炎バーナ内に形成急速混合型管状火炎バーナ内に形成される火炎の特性（第される火炎の特性（第44報）報）
--Properties of Flames Established in the Rapidly MixedProperties of Flames Established in the Rapidly Mixed--Type Tubular Flame Burner (Fourth Report)Type Tubular Flame Burner (Fourth Report)--
＊＊ 岡本岡本 和也和也（広島大学大学院）（広島大学大学院）
下栗下栗 大右（広島大学大学院）大右（広島大学大学院）
石塚石塚 悟悟 （広島大学大学院）（広島大学大学院）
Hiroshima UniversityHiroshima University
密度の高い未燃ガス
研究背景研究背景 ～管状火炎～管状火炎 ～～
Premixed-gas
Side View Cross Sectional View
密度の低い燃焼ガス
軸対称な温度分布
極めて断熱的な火炎である
火炎帯背後の熱損失がほとんど無い
内部 ： 密度の低い燃焼ガス
外部 ： 密度の高い未燃ガス
流れの回転に対して極めて安定な構造である
レーリーの安定判別条件
0 10 20 30 40 500
500
1000
1500
2000
Radial distance (mm)
Tem
pera
ture
(o C)
・予混合燃焼・予混合燃焼
燃料
空気
Mixing chamber逆火
当量比をコントロールできる
予混合気
火炎温度 Ｔｂ
窒素酸化物 ＮＯｘ
コントロールできる
研究背景研究背景 ～逆火～逆火 flash backflash back～～
予混合型管状火炎予混合型管状火炎
急速混合型管状火炎とは・・・
air
Fuel
Fuelair
Pre-mixed gas
Pre-mixed gas
研究背景研究背景 ～～急速混合型管状火炎急速混合型管状火炎～～
急速混合型急速混合型管状火炎管状火炎
「逆火の危険性が全くない管状火炎」
Φ=1.2
Φ=0.7
Φ=1.0
Φ=1.2
Φ=0.7
Φ=1.0
Premixed Type
Rapidly mixed Type
CA B
CA B
t=3mm（Sw=3.4），methane
これまでの研究（火炎概観）これまでの研究（火炎概観）
Rapidly-MixedPremixed
Tubular Flame
OHCH
NO LIF
Temperature
火炎構造の違いによりNOを低減できる可能性
10 200
0.5
1
1.5
2
2.5[ 1́0 4]
0
500
1000
1500
2000
Radial distance [mm]
Phot
o C
ount
T ( 0C)
10 200
0.5
1
1.5
2
2.5[104 ]
0
500
1000
1500
2000 T ( 0C)
Radial distance [mm]
OHCH
NO LIF
Temperature
前報まで前報までのの研究研究２２ t=3mm（Sw=3.4），methane Φ=1
今回は，予混合型と急速混合型の管状火炎
の火炎帯構造の違いを，より厳密に明らかに
すべく火炎帯に豊富に分布し，且つNO形成
に大きな役割を果たすOHラジカルのLIF計測
を行った．
目的目的
100mm
Quartz Tube
Quartz Window
500mm
3mm
50mm
r
Side View Cross Sectional View
管状火炎バーナ管状火炎バーナ
R2
Spectrometer
P.C.Oscilloscope
Power meter
Cylindrical lendsMi: Reflection Mirror
Nd-YAG Laser Dye Laser
Synchronizer
M2
M1
M3
M4
実験装置図実験装置図
Tubular Flame burner ICCD
OH band A-X (1,0) R1(8)
absorption spectrum (nm) 281.15
Rhoudamin 6G
Slit width (μm) 200
Acquisition mode single scan
dye
Fuel CH4
Flow late of Air (Nm3/h) 60
Equivalence Ratio 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
実験条件実験条件
Combustion conditionCombustion condition
LIF conditionLIF condition
r
290 310 320Wavelength (nm)
500 1000 1500 P.C.
Premixed type
Qa=60m3/h
Φ=1.0
Fuel; Methane
Measuring position
300
2000
OHOH--LIF measurement LIF measurement ～～AA--X(0, 0)X(0, 0)バンドバンド～～
rr
Fluorescence spectrum (nm)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
300 306 310 316
Rel
ativ
e in
tensi
ty
302 304 308 312 314
スペクトル分布スペクトル分布 ～～AA--X(0, 0)X(0, 0)バンドバンド～～
306.3-306.5nm
308.9nm-309nm
Temperature [K] Temperature [K]
1500K以上の温度依存性から、306.3-306.5の波長域を解析することにした
500 1000 1500 20000
0.2
0.4
0.6
0.8
1 3063-3065 nm
500 1000 1500 20000
0.2
0.4
0.6
0.8
1 3089-3090 nm
Rel
ativ
e in
tens
ity温度依存性の比較温度依存性の比較
出典：LIF-base [http://www.sri.com/psd/lifbase/]
0 1 2 3 4 5
5
10
[×106]
Laser intensity [mJ]
Fluo
rece
nce
Sign
al [P
.C.]
Linear regime Saturation regime
1mJ以上で十分な飽和状態にある
→Saturation regimeにおける定性的な計測
Saturation CurveSaturation Curve
実験結果実験結果
より厳密なOHラジカル
濃度の比較，および，火炎帯構造の検討が可能
・ピークをとる位置は一致するが，その前後では全く異なる分布を取る
PremixedPremixed Rapidly mixedRapidly mixed
Radial distance (mm)0
0.5
1.0
10
OH-LIF
20OH自発光
Rel
ativ
e in
tens
ity
Radial distance (mm)0 10 20
OH-LIF
OH自発光
・急速混合型では自発光強度のピーク値がLIFに比べて低い
自発光自発光強度分布強度分布ととLIFLIF分布分布の比較の比較 Φ Φ = 1.0= 1.0
PremixedPremixed Rapidly mixedRapidly mixed
Radial distance (mm)0
0.5
1.0
10 20
Phot
o C
ount
Radial distance (mm)0 10 20
1.5[×104]
Φ=0.6Φ=0.8
Φ=0.6Φ=0.8
希薄の条件
火炎帯から管軸に至るまでOHラジカルの濃
度が全体的に低い
OHOH--LIF distribution lean sideLIF distribution lean side
PremixedPremixed Rapidly mixedRapidly mixed
Radial distance (mm)0
0.5
1.0
10 20
Phot
o C
ount
Radial distance (mm)0 10 20
1.5Φ=0.6Φ=0.8Φ=1.0
[×104]
Φ=0.6Φ=0.8Φ=1.0
量論比
予混合型と匹敵する濃度に達する
希薄の条件
火炎帯から管軸に至るまでOHラジカルの濃
度が全体的に低い
OHOH--LIF distribution LIF distribution Φ Φ = 1.0= 1.0
PremixedPremixed
Radial distance (mm)0
0.5
1.0
10 20
Phot
o C
ount
1.5 Φ=1.0Φ=1.2Φ=1.4Φ=1.6
[×104]
予混合型では
燃料濃度の増加に従い蛍光強度が著しく低下
OHOH--LIF distribution rich sideLIF distribution rich side
Rapidly mixedRapidly mixed
Radial distance (mm)0
0.5
1.0
10 20
Phot
o C
ount
Radial distance (mm)0 10 20
1.5 Φ=1.0Φ=1.2Φ=1.4Φ=1.6
Φ=1.0Φ=1.2Φ=1.4Φ=1.6
[×104]
予混合型では
燃料濃度の増加に従い蛍光強度が著しく低下
急速混合型では
燃料濃度の増加に従い蛍光強度が増加
PremixedPremixed
OHOH--LIF distribution rich sideLIF distribution rich side
Equivalence ratio Φ0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0
5
Rad
ial d
ista
nce
(mm
)
10
15
20
25
Equivalence ratio Φ0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
Rel
ativ
e Fl
uore
scen
ce i
nten
sity
火炎帯位置火炎帯位置ととピーク値の当量比変化ピーク値の当量比変化の比較の比較
予混合燃焼の当量比の応答性に対応した結果予混合燃焼の当量比の応答性に対応した結果
予混合燃焼とは異なった燃焼形態による火炎予混合燃焼とは異なった燃焼形態による火炎
PremixedRapidly mixed
OHOH--LIFLIF分布分布
NONO--LIF conditionLIF condition
NO band : X2Π-A2Σ+(0,0)Slit width : 600 μm
Accumulation number : 50
Temperature measurementTemperature measurement
Two-line LSF-OHExcited lines : Q1(5,5) P1(1,5)
Slit width : 200 μm
NONO--LIFLIF分布分布 温度分布温度分布
NO OH temperature distributionNO OH temperature distribution
ΦΦ = 0.8= 0.8 ΦΦ = 1.0= 1.0 ΦΦ = 1.2= 1.2 ΦΦ = 1.4= 1.4
予混合型管状火炎予混合型管状火炎
10 20
1.0
2.0
0
Rel
ativ
e in
tens
ity
Radial distance (mm)10 200
Radial distance (mm)10 200
Radial distance (mm)10 20 0
1000
2000
0Radial distance (mm)
Tem
pera
ture
[K]
今回測定したOHの分布はNOの分布や温度とも一致するものであった．
NO分布は予混合燃焼の当量比の応答に対応したNO生成メカニズム．
急速混合型急速混合型管状火炎管状火炎
ΦΦ = 0.8= 0.8 ΦΦ = 1.0= 1.0 ΦΦ = 1.2= 1.2 ΦΦ = 1.4= 1.4
NO OH temperature distributionNO OH temperature distribution
0 10 20
1.0
2.0
Radial distance (mm)
Rel
ativ
e in
tens
ity
0 10 20Radial distance (mm)
10 200Radial distance (mm)
10 200
1000
2000
0Radial distance (mm)
Tem
pera
ture
[K]
燃料濃度の増加に伴いOH・温度・NOは増加傾向にあり、Φ1.2で最大。過濃側ではOH・NOともに予混合型よりも高い．NO分布が予混合型と異なる → NOの生成メカニズムも異なる
急速混合型では，OHラジカル濃度は当量比1.2において最大値をとる．そのピーク濃度は，予混合型の量論比での濃度より30%程度高い．
まとめまとめ (1)(1)
予混合燃焼とは異なった火炎が形成されている．それによりNOの生成メカニズムも予混合型とは異なっている．
予混合型では，OHラジカル濃度は量論比において最大値をとり，燃料濃度の増加・減少により，その値は減少した．
予混合燃焼の当量比の応答性と一致する.NO分布の傾向とも一致した.
予混合型と急速混合型のOH濃度は，量論比にお
いてほぼ同程度となり，これを境に，希薄側にお
いて急速混合型が，過濃側において予混合型が，
OH濃度が低い分布を取る．
燃料希薄部分で急速混合型の方が予混合型よりNO生成量が低いという従来の結論と一致す
るものである．
まとめまとめ (2)(2)
