静止ナトリウム液滴燃焼実験

An Experimental Study on Suspended Sodium Droplet Combustion

佐藤 研二*

Sato, Kenji*

ナトリウム液滴燃焼挙動の現象論的解明に向けた研究の一環として、これまでにナトリウム静止液滴を対象に常温空気流中での着火燃焼実験を実施し、高速度カメラを用いた観察により着火挙動を調べ、あわせて温度測定手法を開発してきた。 本研究では、直径4mmの静止液滴を用い、液滴初期温度が280Cから400 C、周囲の乾燥空気流速が20cm/sから60cm/sの範囲でナトリウム液滴の着火燃焼実験を実施し、高速度カメラによる着火挙動観察とシース熱電対による液滴温度時間変化測定を行い、空気流速、液滴初期温度がこれらに与える影響を調べた。主な結果は以下のとおりである。(1)液滴初期温度が290C未満では、液滴表面の酸化膜に縦筋が入り液滴形状が時間とともに初期形状からずれて巾着のような形になる現象がみられた。(2)気相の橙色の発光層の出現で定義した着火までの着火遅れ時間は、液滴初期温度または空気流速が大きいほど小さい。代表的な着火遅れ時間として、液滴初期温度300C、空気流速20cm/sのときに1.4s、400C、60cm/sのときに0.65sが得られた。(3)着火遅れ時間の空気流速依存性は流速が増すととともに減少する傾向がみられる。(4)着火過程で液滴表面全体の溶融が起きるときの液滴温度および着火時の液滴温度は、それぞれ460C前後、550-600C (おおむね575C前後)で、これらは空気流速、液滴初期温度によらない。(5)液滴温度の上昇速度は着火時刻の前後で大きく変化しない。(6)着火後準定常的な燃焼状態に漸近したときの液滴温度は、液滴初期温度には依存せず、流速 とともに増加し、実験を行った範囲では700-750Cの値であった。これらの温度はナトリウム の沸点881Cにくらべて低く、今後理由の検討が必要である。(7)着火に至る過程で、上流側の液滴表面に多くの微小な突起が生成し温度上昇とともに消減する現象がみられた。この現象は液滴初期温度が300C付近の場合において顕著で、液滴初期温度が400Cの場合にはほとんどみられない。

As part of studies for phenomenological investigation of sodium droplet burning behavior, in our previous experimental studies, ignition process and succeeding combustion of suspended single sodium droplet had been investigated by using high speed movie camera, and a temperature measurement system feasible for the experiment had been developed. In the present study, by using 4 mm diam. suspended sodium droplet, combustion experiments were performed for the free-stream velocity of dry air flow of 20 to 60 cm/s, and for the initial droplet temperature of 280 to 400deg-C, and the effects of the free-stream velocity and initial droplet temperature on the ignition behavior and droplet temperature variation with time were examined by using high speed movie camera and sheath-type fine thermocouple. The experimental results are as follows: (1)When the initial droplet temperature is less than 290 deg-C, before ignition the oxide film accompanied with vertical streak appeared and the droplet turned to teardrop shape. (2)The ignition delay time defined as the time to evolution of orange color light emission zone or flame zone decreases with the increase of the free-stream velocity or of initial droplet temperature. Examples of typical ignition time are 1.4 s at the free-stream velocity 20 cm/s and initial droplet temperature 300 deg-C, and 0.65 s at 60 cm/s and 400 deg-C. (3)The dependence of the ignition delay time on the free-stream velocity decreases as the free stream velocity increases. (4)The droplet temperatures at the moment of melting extending all over the surface and at the moment of ignition are around 460 deg-C and 500 deg-C to 600 deg-C (mostly around 575 deg-C), respectively. These values are essentially independent of the free-stream velocity and initial droplet temperature. (5)The rate of temperature rise does not change through the moment of ignition. (6)The asymptotic droplet temperature at approaching to quasi-steady combustion state following ignition is i