研究内容

数値流体力学

1. 詳細化学反応機構を用いた対向流拡散火炎の数値解析

Sung et al. [1]の対向流拡散火炎を対象に，非構造格子有限体積法に基づき，詳細化学反応機構にGRI-Mech 3.0 [2] (左)およびSan Diego Mechanism [3] (右)を用いて燃焼シミュレーションを実施した．定常状態に達するまでの温度履歴は若干異なるものの，定常状態に達した際の温度分布は用いる反応機構によらずほぼ一致した．

[1] Sung, C. J. et al., Structural response of counterflow diffusion flames to strain rate variations, Combust. Flame, 102(4), 481–492 (1995)
[2] Gregory P. Smith, David M. Golden, Michael Frenklach, Nigel W. Moriarty, Boris Eiteneer, Mikhail Goldenberg, C. Thomas Bowman, Ronald K. Hanson, Soonho Song, William C. Gardiner, Jr., Vitali V. Lissianski, and Zhiwei Qin http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/
[3] "Chemical-Kinetic Mechanisms for Combustion Applications", San Diego Mechanism web page, Mechanical and Aerospace Engineering (Combustion Research), University of California at San Diego (http://combustion.ucsd.edu)

2. スカラー輸送を伴う同軸二重噴流を対象とした乱流流れのLarge Eddy Simulation

Johnson and Bennett [1,2]のスカラー輸送を伴う同軸二重噴流を対象に，非構造格子有限体積法に基づき，乱流流れのLarge Eddy Simulationを実施した．同軸二重噴流における乱流混合過程や外部再循環が再現されていることがわかる．

[1] Johnson, B. V. and Bennett, J. C., Mass and momentum transport experiments with confined coaxial jets, NASA Contractor Rep. NASA, CR-165574, UTRC Rep. R81-915540-9 (1981)
[2] Johnson, B. V. and Bennett, J. C., Statistical characteristics of velocity, concentration, mass transport, and momentum transport for coaxial jet mixing in a confined duct, J. Gas Turbines and Power, 106, 121–127 (1984)

3. メタン/空気のパイロット噴流火炎を対象としたFlamelet/Progress ApproachによるLarge Eddy Simulation

Flamelet approach [1,2]の1つであるFlamelet/Progress Variable Approach [3]を用い，検証問題として有名なSandia Flame Dとして知られるメタン/空気のパイロット噴流火炎[4–6]を対象にLarge Eddy Simulationを実施した．速度場 (左)，混合分率(中央)と温度(右)は既往の解析結果[7]と同様の傾向を示し，パイロットによって安定化された噴流火炎が表現されている．本研究は英国Loughborough UniversityのProf. Malalasekeraとの国際共同研究の成果である．

[1] Peters, N, Laminar diffusion flamelet models in non-premixed turbulent combustion, Prog. Energy Comb., Sci., 10(3), 319–339 (1984)
[2] Peters, N., Laminar flamelet concepts in turbulent combustion, Proc. Combust. Inst., 21(1), 1231–1250 (1986)
[3] Pierce, C. and Moin, P., Progress-variable approach for large-eddy simulation of non-premixed turbulent combustion, JFM, 504, 73–97 (2004)
[4] Barlow, R. S. and Frank, J. H., Effects of turbulence on species mass fractions in methane/air jet flames, Proc. Combust. Inst. 27, 1087–1095 (1998)
[5] Barlow, R. S. et al., Piloted methane/air jet flames: Scalar structure and transport effects, Combust. Flame, 143, 433–449 (2005)
[6] Schneider, Ch. et al., Flow field measurements of stable and locally extinguishing hydrocarbon-fuelled jet flames, Combust. Flame, 135, 185–190 (2003)
[7] Raman, V. and Pitsch, H, A consistent LES/filtered-density function formulation for the simulation of turbulent flames with detailed chemistry, Proc. Combust. Inst., 31(2), 1711–1719 (2007)

4. VOF法による電場が液柱の分裂に及ぼす影響の検討

VOF法[1]を用いて電場が液柱の分裂[2]に及ぼす影響を数値解析的に検討した．ここでは示していないが，ノズルに電位を与えない場合（上の動画），幅広いReynolds数において解析結果は実験結果[2]を再現し，液柱は粒子径の異なる粒子に分裂した．一方，電場の強さが大きくなるに従い（上の動画から下の動画に向かって），生じる液滴の粒子径は一定となった．

[1] C. W. Hirt and B. D. Nichols, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, J. Comput. Phys., 39, 201–225 (1981)
[2] M. Hozawa, T. Tadaki and S. Maeda, The Size of Drops Formed from Single Nozzles in Liquid-Liquid Systems, Chemical engineering, 33, 893–898 (1969)