The Effects of unburned-gas temperature and pressure on the unstable behavior of cellular-flame fronts generated by intrinsic instability in hydrogen-air lean premixed flames under adiabatic and non-adiabatic conditions; Numerical simulation based on the detailed chemical reaction model

Thwe Thwe, A.; 門脇 敏; 永石 隆二

Journal of Nuclear Science and Technology, 60(6), p.731 - 742, 2023/06

https://doi.org/10.1080/00223131.2022.2143448

本研究では、詳細な化学反応を考慮した非定常反応流れの数値計算を遂行し、固有不安定性による水素-空気希薄予混合火炎の不安定挙動を調べ、未燃ガス温度と圧力の影響を明らかにした。広い空間における火炎の不安定挙動をシミュレートし、セル状火炎の燃焼速度を求めた。そして、火炎不安定挙動に及ぼす熱損失および火炎スケールの効果を精査した。平面火炎の燃焼速度は、未燃ガスの温度が上昇すると増加し、未燃ガスの圧力と熱損失が上昇すると減少する。平面火炎の燃焼速度で標準化したセル状火炎の燃焼速度は、圧力(温度)の上昇と共に増大(減少)する。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る。これは、未燃ガスの高圧力と熱損失は、火炎の不安定挙動と不安定性をプロモートするからである。

Instability phenomena of lean hydrogen/oxygen/inert-gas premixed flames on a flat burner

勝身 俊之; Thwe Thwe, A.; 門脇 敏

Journal of Visualization, 25(5), p.1075 - 1083, 2022/10

https://doi.org/10.1007/s12650-022-00844-9

希薄燃焼と不活性ガス添加は、水素予混合火炎の燃焼速度を制御するのに有用であり、固有不安定により希薄水素火炎の前面にセル状構造が形成されることはよく知られている。しかし、希薄水素予混合火炎の不安定現象に対する不活性ガス添加の影響は十分に理解されていないため、火炎の不安定性を実験的に調査する必要がある。実験では、不安定現象の特性を解明するために、フラットバーナー上の水素/酸素/不活性ガス(Ar, N, CO)予混合火炎のセル状構造と変動を、直接観察,レーザー診断および発光強度を使用して取得した。その結果、不活性ガス添加量,当量比,総流量とセル状火炎の特性との相関関係が明らかになり、これらのパラメータが火炎の不安定性に及ぼす影響が議論された。

プルトニウム燃料第三開発室解体前廃棄物一時保管設備3(FPG-03a,b,c)の解体撤去作業

篠崎 雄; 會田 貴洋; 磯 貴人*; 小田倉 学*; 萩野谷 雅浩*; 門脇 弘幸*; 小林 真悟*; 稲川 拓夢*; 森元 大成*; 磯 秀敏; et al.

JAEA-Technology 2021-043, 100 Pages, 2022/03

JAEA-Technology-2021-043.pdf:7.49MB

核燃料サイクル工学研究所では、プルトニウム燃料技術開発センターのプルトニウム燃料第三開発室において、核燃料サイクル工学研究所内の廃止措置対象施設からのMOXを集約し、長期的に安定・安全に貯蔵することを計画している。このためには、施設内の核燃料物質をペレット化し集合体貯蔵庫に保管すること(以下、「保管体化作業」という)により、プルトニウム原料貯蔵庫の貯蔵スペースを確保する必要がある。この保管体化作業における安全性の向上及び万一の事故時のリスク低減のため、1設備あたりの処理バッチサイズを従来よりも下げることとし、処理バッチサイズを決める粉末秤量・均一化混合設備の新設を計画、その設置スペースを粉末調製室(1)(FP-101)に確保するため、本件の解体前廃棄物一時保管設備3(FPG-03a,b,c)を解体撤去した。今回の解体撤去対象は、平成5年1月に使用を開始した造粒・整粒設備、添加剤混合設備および受払搬送設備で構成され、平成24年2月3日に使用を終了し、廃棄施設となった設備である。その後、ホールドアップ量低減を図るため、試験第1課によりグローブ作業で内装設備の解体・撤去が進められ、本解体撤去前には内装設備が大型機械を除きほとんど無い状態にあった。本報告書では、本設備のグローブボックスと一部の内装設備及び周辺機器の解体撤去に係るグリーンハウスの設営方法、解体撤去手順、粉末工程設備の特有の課題(粉塵等)について報告する。

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

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

日本機械学会論文集(インターネット), 87(898), p.21-00107_1 - 21-00107_12, 2021/06

https://doi.org/10.1299/transjsme.21-00107

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 addition of carbon dioxide and water vapor on the dynamic behavior of spherically expanding hydrogen/air premixed flames

勝身 俊之; 吉田 康人*; 中川 燎*; 矢澤 慎也*; 熊田 正志*; 佐藤 大輔*; Thwe Thwe, A.; Chaumeix, N.*; 門脇 敏

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.21-00044_1 - 21-00044_13, 2021/00

https://doi.org/10.1299/jtst.2021jtst0026

水素/空気予混合火炎の動的挙動の特性に及ぼす二酸化炭素と水蒸気の添加の影響を実験的に解明した。シュリーレン画像により、火炎面の凹凸が低い当量比で明瞭に観察された。火炎半径が大きくなると共に伝播速度は単調に増加し、火炎面の凹凸の形成に起因する火炎加速が生じた。不活性ガスの添加量を増やすと、特にCO添加の場合、伝播速度が低下した。さらに、マークスタインの長さと凹凸係数が減少した。これは、COまたはHOの添加が水素火炎の不安定な動きを促進したことを示してあり、拡散熱効果の強化が原因であると考えられる。水素火炎の動的挙動の特性に基づいて、火炎加速を含む伝播速度の数学モデルで使用されるパラメータが得られ、その後、さまざまな条件下での火炎伝播速度が予測された。

Numerical investigation on unstable behaviors of cellular premixed flames at low Lewis numbers based on the diffusive-thermal model and compressible Navier-Stokes equations

Thwe Thwe, A.; 門脇 敏; 日野 竜太郎

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 13(2), p.18-00457_1 - 18-00457_12, 2018/12

https://doi.org/10.1299/jtst.2018jtst0034

拡散・熱的(D-T)モデル及び圧縮性ナビエーストークス(N-S)方程式を用いて広域における低ルイス数セル状予混合火炎の不安定挙動について、反応流れ場の二次元非定常数値解析を行った。圧縮性N-S方程式によって得られた火炎の成長増幅率は、D-Tモデルによって得られたものより大きく、不安定領域は広いことが分かった。計算領域を広くした結果、大きなセル状火炎から分離された小さなセルの数は劇的に増加した。このとき、圧縮性N-S方程式に基づく数値結果では、より強い不安定挙動及びより大きな平均燃焼速度が観察された。併せて、圧縮性N-S方程式によって得られたフラクタル次元は、D-Tモデルによって得られたものよりも大きかった。加えて、放射熱損失が低ルイス数予混合火炎の不安定性を促進することを確認した。

水素挙動解析システムの構築に向けた取組み

寺田 敦彦; 上地 優; 日野 竜太郎; 松本 昌昭*; 杉山 均*; 門脇 敏*

no journal, , 

日本原子力研究開発機構では、水素の発生から拡散、燃焼、爆発に至る挙動を予測する水素挙動解析システムの構築を進めている。本報では、システムの概要と水素挙動解析システムの構築に向けた取り組みの一環として、OECD/NEAのISP47等のTOSQAN試験データを用いたコード検証事例を報告する。

Effects of propane addition on the instability of lean hydrogen-air premixed flames

Thwe Thwe, A.; 日野 竜太郎; 門脇 敏*

no journal, , 

The effects of propane addition on the instability of lean hydrogen-air premixed flames were investigated experimentally. Flat burner of 60mm in diameter was used. Propane in fuel-air mixture was chosen as 1, 5, 10, 15 and 20%, the flow rate of premixture was set to 15L/min, and the equivalence ratio was set to 0.2 through 1.0. The experiments were carried out under the room temperature and atmospheric pressure. When the concentration of propane in fuel mixture was increased, lower lean flammable limit increased, cellular flame range decreased and planar flame range increased. When the equivalence ratio increased, cell width decreased, combination of cells appeared and cellular flame became flat at each case owing to the decrease of diffusive-thermal effect. The fluctuation of the light emission intensity became weaker and the torus shape of attractor became clear as the addition of propane suppressed the instability of the flame.

Effects of mesh size on wrinkle behavior of H-air premixed flame inside of a vessel; Numerical simulations by using XiFoam

Thwe Thwe, A.; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎; 門脇 敏

no journal, , 

高レベル放射性廃棄物容器内の水の放射線分解により発生する水素の燃焼と爆発の危険性を減らすためには水素燃焼現象および特性を理解する必要があり、そのためにCFDは重要な役割を果たしている。本研究では、勝身ら[長岡技術科学大学]による水素-空気爆発実験から推定された新しい層流火炎速度モデルをオープンソースコードXiFoamソルバーに実装して、解析格子サイズ(2mm0.625mm)によるしわ状火炎への影響を明らかにするために、水素-空気予混合火炎伝播シミュレーションを行った。その結果、格子サイズを1mm以下とすることで、着火から0.003秒から0.006秒までは火炎温度と火炎半径はほぼ同じであることと、0.006秒以降で火炎に固有不安定性効果による温度, 伝播速度の加速効果が現れることがわかった。解析格子サイズが小さくなると、点火領域の格子点数の増加とともに火炎温度が上昇して火炎半径も大きく、実験と同様な、しわ状火炎面を確認できるようになった。

Propagation phenomena of spherically expanding hydrogen-air premixed flames; Simulation by a public open source code

Thwe Thwe, A.; 寺田 敦彦; 日野 竜太郎; 永石 隆二; 門脇 敏

no journal, , 

燃料デブリ等の長期保管での水素安全管理の観点から、保管容器内の水素混合ガスの漏洩拡散、燃焼現象等の特性を理解することは重要であり、シミュレーションはそれを明らかにする有用な手法の一つである。本研究では、汎用オープンソースコードOpenFOAMを使用して、水素空気予混合火炎の伝播シミュレーションを行った。計算では、長岡技術科学大学の実験から導出された新しい層流火炎伝播速度モデルを適用し、2つの異なるサイズ(長さ0.21m及び0.13m)の立方体形状の容器内の空間をそれぞれ0.625mm及び0.5mmのメッシュサイズでモデル化した。容器内は、当量比1.0、初期温度298K、圧力101,325Paの水素-空気予混合気で満たされている。両ケースとも計算結果は、容器中心位置での着火後に予混合火炎が球状に伝播することを示し、その伝播現象は0.005秒以内の範囲で実験結果と良く一致した。また、火炎面のしわ形状は、メッシュサイズを細かくすることで、実験で観察された形状よりも微細化されているように見られた。これは、メッシュサイズがシミュレーションのしわ形状の形成に影響するからと考えられる。