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断熱・非断熱条件下における水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動に及ぼす水蒸気添加の効果

The Effects of steam addition on the unstable behavior of hydrogen-air lean premixed flames under the adiabatic and non-adiabatic conditions

古山 大誠*; Thwe, T. A. ; 勝身 俊之; 小林 秀昭*; 門脇 敏

Furuyama, Taisei*; Thwe, T. A.; Katsumi, Toshiyuki; Kobayashi, Hideaki*; Kadowaki, Satoshi

断熱および非断熱条件下での水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動に及ぼす蒸気添加の影響を数値計算的に調査した。8つの活性種と希釈剤の17の可逆反応でモデル化された水素-酸素燃焼の詳細な化学反応メカニズムを採用し、圧縮性ナビエ・ストークス方程式に基づいて、2次元の非定常反応流が処理された。蒸気の追加と熱損失が増加すると共に平面火炎の伝播速度は減少した。水蒸気濃度の増加と共に、標準化したセル状火炎の燃焼速度は増大し、熱損失が存在する場合、標準化したセル状火炎の燃焼速度は、断熱の場合より大きくなった。水蒸気添加により、水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動はプロモートされる。これは、ガスの熱拡散率が減少し、拡散-熱的不安定性が強くなるからである。水素予混合火炎の不安定性に及ぼす水蒸気添加の効果は新たな知見であり、原子力発電所などにおける水素防爆対策に繋がることが期待される。

The effects of steam addition on the unstable behavior of hydrogen-air lean premixed flames under adiabatic and non-adiabatic conditions were investigated by numerical calculations. Adopting a detailed chemical reaction mechanism of hydrogen-oxyfuel combustion modeled by 17 reversible reactions of 8 active species and diluents, a two-dimensional unsteady reaction flow was treated based on the compressible Navier-Stokes equation. As the steam addition and heat loss increased, the burning velocity of a planar flame decreased and the normalized burning velocity increased. The addition of water vapor promotes the unstable behavior of the hydrogen-air lean premixed flame. This is because the thermal diffusivity of the gas decreases and the diffusion-thermal instability increases. The effect of adding water vapor on the instability of hydrogen premixed flames is a new finding, and it is expected to connect with hydrogen explosion-prevention measures as in NPP.

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