静止ナトリウム液滴燃焼実験(II)

An Experimental Study on Suspended Sodium Droplet Combustion (II)

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着火挙動の観察,着火遅れ時間,液滴温度の時間変化の測定を行ってきた。本研究では,直径4mmの静止液滴を用い,液滴初期温度が300と400において,周囲の乾燥空気流速を200 cm/sまでの拡張してナトリウム液滴の着火燃焼実験を実施し,空気流速,液滴初期温度が着火挙動と着火遅れ時間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)実験を行った範囲では,300で200 cm/sの条件において液滴の上端(下流端)部分が空気流に暴露後縦方向に伸びてしまう現象がみられたが,その他の実験条件では液滴がほぼ球形を保った状態で着火現象が生じた。(2)着火遅れ時間(着火時刻を液滴表面に接する気相部での橙色の発光の出現で定義)は流速の増加とともに減少する。ただし,着火遅れ時間の流速による変化の割合は,流速とともに小さくなる傾向がみられる。代表的な着火遅れ時間として,初期液滴温度400のときに,50cm/sで0.68 s, 100 cm/s で0.52 s, 200 cm/sで0.37sの値が得られた。(3)橙色の発光の出現(着火)はいずれの流速でも液滴上端付近を除いてほぼ同時に生じる。着火時の発光は上流側ほど強く,また流速が大きいほど着火後の発光強さが大きい。(4)液滴初期温度300を中心に着火に至る過程で液滴の上流側表面に一時的に現れる多数の柱状(針状)は高流速になってもみられる。突起は低流速ではおおむね着火までに消失するが高流速では一部消滅しないままに着火に至ることもある。(5)着火時刻までの間に液滴を包む煙層(微粒子の層)が形成されるがその厚さは流速の増加ともに減少する。また,高流速では,煙層の液滴下流側でのはく離現象が観察される。より大きな空気流速で最小着火遅れ時間が現れる可能性も考えられるが,その存在についてはさらに高流速域での実験を行って確認する必要があり今後の課題と考えられる。

As part of studies for phenomenological investigation of sodium droplet burning behavior, in our previous experimental studies for suspended single sodium droplet, behavior of ignition process and succeeding combustion, ignition delay time, and droplet temperature history had been investigated. In the present study, by using 4 mm diam. suspended sodium droplet, combustion experiments were performed for extended free-stream velocity range of dry air up to 200 cm/s, and for the initial droplet temperatures Ti = 300 deg C and 400 deg C, and the effects of the free-stream velocity and initial droplet temperature on the ignition/burning behavior and ignition delay time were examined by using high speed video camera. The obtained experimental results are as follows: (1)Ignition phenomena of suspended spherical shape droplet were observed for all examined experimental conditions except the case of free-stream velocity U = 200 cm/s at 300 deg C, where detachment of droplet from the support due to strained oxide film occurred. (2)The ignition delay time defined as the time to evolution of orange-light emitting zone or flame zone decreases with the increase of the free-stream velocity or of initial droplet temperature. Examples of typical ignition delay time are 0.68 s at U = 20 cm/s, 0.52 s at U = 100 cm/s, and 0.37 s at 200 cm/s for Ti = 400 deg C. (3)The orange-light emission at the moment of ignition occurs simultaneously over whole surface except the top region of the droplet, The intensity of the emission at the moment of ignition takes its maximum at the bottom region or upstream region of the droplet, and the emission intensity during the stable burning period increases with the increase of U. (4)When Ti is 300 deg C, formation of temporal multiple short projections are observed before ignition for all examined free-stream velocities. The projections often do not disappear before ignition when the velocity is relatively high. (5)The layer or cloud composed of aerosol