「水素燃焼の制御を目指して」「水素燃焼の制御を目指して」

平成２７年度 福岡水素エネルギー戦略会議

安全で快適な水素社会を目指して水素の燃焼をスマートに制御！

２０１５．１０．１５

Email: nakahara.masaya.mf@ehime-u.ac.jp

水素燃焼・安全評価に関する研究分科会

愛媛大学 大学院理工学研究科

機械工学コース

熱工学研究室

中 原 真 也

本日の内容

・水素の一般的な特徴&燃焼特性

・水素の燃料として活用動向(水素燃焼技術)

・水素燃焼の制御を目指して（研究紹介)水素乱流火炎の燃焼制御水素微小火炎の燃焼制御

水素の安全利用

・まとめ

エンジンや発電所のガスタービンなど燃焼機関理論効率に優れる燃料電池

水素の燃料としての特徴水素の燃料としての特徴

・反応しても二酸化炭素CO2を発生しない：

・様々な原動機に使用できる：

・水素は無尽蔵：宇宙の元素のうち３／４は水素(質量比)地球上では、海水中に大半が存在

水や天然ガスを初め様々な物質から作れる→２次エネルギー

・様々なエネルギーを水素として貯めることができる：エネルギーのキャリアー（媒体）として活用。。。

ただし、外からエネルギーが必要

排熱や余剰電力等を有効利用！

副生水素（精油所、塩電解工場、製鉄所等：FC車500万台分)

水素H2

水素H2

①無色・無臭 ②

ガソリンに比べ自然発火しにくい

②ガソリンに比べ自然発火しにくい

⑤対純酸素

燃焼温度が3000℃と高い

⑤対純酸素

燃焼温度が3000℃と高い

⑥火炎が見えない

③最も軽い気体

③最も軽い気体

④液体水素は

-253度と極低温

④液体水素は

-253度と極低温

⑦燃えても二酸化炭素，イオウ酸化物などが

出ずクリーン

⑦燃えても二酸化炭素，イオウ酸化物などが

出ずクリーン

H H

分子量：2.016

水素

H2

4.0～75.0(0.10～7.17)

291.2 (1.80) 120.0 0.02 0.6 ○

メタン

CH4

5.0～15.0(0.5～1.69)

37.0 (1.06) 50.01 0.28 2.0

エタン

C2H6

3.0～12.5(0.52～2.39)

40.1 (1.14) 47.51 0.24 1.8

プロパン

C3H8

2.1～9.5(0.51～2.51)

43.0 (1.14) 46.34 0.25 1.7

×

可 燃 範 囲[vol%(当量比 ]

最大層流燃焼速度 [cm/s] 低発熱量

[MJ/kg]最小着火エネルギー

[mJ]消炎距離

[mm]CO2&未燃炭化水素

－未生成燃焼

水素の一般的に言われる特徴水素の一般的に言われる特徴

特徴的な基礎燃焼特性を有する水素特徴的な基礎燃焼特性を有する水素 （燃料／空気混合気）

出典：（財）エンジニアリング振興協会

戦略的イノベーション創造プログラム(ＳＩＰ)「エネルギキャリア」戦略的イノベーション創造プログラム(ＳＩＰ)「エネルギキャリア」

水素燃焼技術

水素燃焼技術水素燃焼技術

出典：「水素発電について」資源エネルギ－庁 H26.3.26

水素発電の意義①(エネルギーとして)

発電用水素ガスタービンの現状

発電用水素ガスタービンの現状

水素乱流火炎の燃焼制御をめざして水素予混合乱流燃焼速度の汎用予測モデルの開発

水素燃焼機器の高性能化技術＆水素爆発事故の予測・予防技術の開発

水素ｰ炭化水素－酸素－希釈ガス

LLT Ka'uSS

1

22

未燃混合気 ρu

層流燃焼速度 SL0

層流火炎

AT

(a) 層流燃焼速度 Laminar Burning Velocity

未燃混合気

乱流燃焼速度ST

乱流火炎

SL(f1)

SL(f2)

SL(f3)

SL(f4)

(b) 乱流燃焼速度 Turbulent Burning Velocity

既燃ガス

既燃ガスρb

工業的に利用される乱流燃焼工業的に利用される乱流燃焼

)(0

fSAAS L

L

TT

AL0

予混合燃焼

単位容積・単位時間あたりの発熱量が増大→燃焼器の小型化･軽量化

層流燃焼

乱流燃焼

燃焼速度：単位面積の火炎面が消費する未燃混合気の体積

バーナ火炎

バーナ火炎

容器中-静止場-中心点火

火炎面

容器中-乱流場-中心点火

伝ぱ火炎

伝ぱ火炎

希薄炭化水素予混合気への水素添加による乱流燃焼の促進・改善効果

希薄炭化水素予混合気への水素添加による乱流燃焼の促進・改善効果

メタンCH4 水素H2 空気AIR+ +1 -

天然ガス等の希薄燃焼技術

低CO2&低NOx燃焼技術，

熱効率の向上

燃焼不安定消炎, 失火,サイクル変動等

水素添加希薄燃焼技術！ 0 1 2 3 4

0

50

100

150

乱れ強さ　u' (m/s)

乱流

燃焼速

度 S

T (c

m/s

)

:=0.2

:=0.3:=0.4

CH4/H2/AIR=0.5P0=0.101MPa T0=298K

消炎限界

H2 添加量

M05H04

M05H03

M05H02

エンジン回転数低 高

乱れ弱 強

単位容積＆時間あたり発熱量大

流線

既燃ガス側

未燃混合気側

火炎(反応帯)

:流線

:拡散 速度の 大 きな 反応物; D

:拡 散 速度 の小さ な反応 物; Dh

l

選 択 拡 散 効 果Preferential Diffusion Effect

選 択 拡 散 効 果Preferential Diffusion Effect

火炎面の局所燃焼速度SLが層流燃焼速度から変化する！火炎面の局所燃焼速度SLが

層流燃焼速度から変化する！

Dh の分子

が相対的に多く拡散

Dl の分子

が相対的に多く拡散

予混合といえども火炎面近傍の組成が

不均一へ！

予混合といえども火炎面近傍の組成が

不均一へ！

反応物の拡散速度が異なる！

反応物の拡散速度が異なる！

)(0

fSAAS L

L

TT 乱流燃焼速度ST

に差異が発生！乱流燃焼速度ST

に差異が発生！

乱流火炎での の重要性

1.0 2.00.0

1.0

2.0

3.0

Turbulence Intensity u'(m/s)

Turb

ulen

t Bur

ning

Vel

ocity

S T

(m/s

)

H2/N2/AIR

P=0.101MPaT=298K

=0.50.60.7

0.85

0.90

0.95

1.1 Quenching Limit

SL0=15cm/s

0.0 1.0 2.0 3.0 4.00.0

0.5

1.0

1.5

Turbulence Intensity u' (m/s)

CH4/N2/AIRP0=0.101MPaT0=298K

Quenching Limit

=0.9

SL0=15cm/s =0.7

=0.8

=1.0

=1.1

=1.2

0.0 1.0 2.0 3.0 4.00.0

0.5

1.0

1.5

Turbulence Intensity u' (m/s)

C3H8/N2/AIRP0=0.101MPaT0=298K

Quenching Limit

=0.7

=1.0

=1.2

=1.4

=1.5

SL0=15cm/s

メタンCH4/N2/AIR

プロパンC3H8/N2/AIR

水素H2/N2/AIR

乱流燃焼速度STに及ぼす燃料の種類の影響乱流燃焼速度STに及ぼす燃料の種類の影響

当量比の減少に伴い， 同一u’ でのSTは，H2 & CH4 混合気の場合は増加C3H8 混合気の場合は減少

分子拡散係数：H2 >> CH4 >O2 > C3H8

SL0=15cm/s一定

燃料濃度

小

燃料濃度

小

燃料濃度

大

天然ガス

LPG

乱れ強さu’と乱流燃焼速度STの関係当量比の異なる層流燃焼速度SL0 を揃えた混合気

0.5 1 1.5

1.0

2.0

3.0

Equivalence Ratio

S L/S

L0

SL0=15cm/s:H2:CH4

:C3H8

:C2H6

乱流火炎の実際の燃焼速度(平均局所燃焼速度 SL)乱流火炎の実際の燃焼速度(平均局所燃焼速度 SL)

u’0.75m/s

ＳＴPreferentialDiffusion

Effect

ＳＬ０

φ (φ＋δφ)

ＳＬ

Turbulent Flame

選択拡散効果を考慮し推定．独自に開発した推定方法

水素は分子拡散特性に優れている

希薄混合気で選択拡散効果の影響が大きい！

O2に比べ拡散速度が，H2 & CH4 は大C2H6&C3H8 は小

希薄燃焼 過濃燃焼

水素

メタンﾌﾟﾛﾊﾟﾝ

乱流燃焼時の局所燃焼速度に及ぼす燃料の影響?

・N2の乱流燃焼速度STに比べて (同一乱れ強さ u’ &同一層流燃焼速度 SL0 )アルゴン: Ar → ほぼ同一かやや増大 （拡散速度D O2&N2）二酸化炭素:CO2 → 増大 （D < N2)ヘリウム: He → 著しく減少 (D > N2)

0.5 & 0.9 0.20.0 1.0 2.0 3.0

50

100

150

200

250

300

350H2/O2/Dilution GasSL0=15cm/sN2 Ar CO2

0.5:0.9:

Dilution Gas

Turbulence Intensity u' [m/s]

Turb

ulen

t Bur

ning

Vel

ocity

ST [

cm/s

]

Quenching Limit

0.0 1.0 2.0 3.0

50

100

150

200

250

300

350H2/O2/Dilution GasSL0=15cm/sN2 Ar CO2 He

0.2:

Dilution Gas

Turbulence Intensity u' [m/s]

Turb

ulen

t Bur

ning

Vel

ocity

ST [

cm/s

]

P0=0.101MPaT0=298K

0.5

0.9

0.2

He

N2, ArCO2

H2-O2-希釈ガス混合気の乱流燃焼速度特性H2-O2-希釈ガス混合気の乱流燃焼速度特性

水素混合の乱流燃焼速度に及ぼす希釈ガス N2, Ar, He &CO2の影響 簡便な式

0 0.5 10

0.2

0.4

0.6

KaL

(ST–

SL)

/SL

x L

/g

SL/SL0=1.0

Quenching LimitRegion Ⅰ Region Ⅱ

H2 (H113–15)CH4 (M098–15)C2H6(E110–15)C3H8(P114–15)CH4 by a Model Eq.

SLO=15cm/s

ST = SL + 2/2・u'√

Ｓ ＝ （Ｓ ＋ α· ｕ’）（１－Ｋ ）Ｔ Ｌ

2ａＬ

２

２

０.５＜Ｋ ≦１.０

０ ＜Ｋ ≦０.５ａＬ

ａＬ

Ｓ ＝ （ α ＋ ）ＳＴ Ｌ２

３

８ ηL

λｇ ３

４

乱流燃焼速度 ST の予測モデル式乱流燃焼速度 ST の予測モデル式

[RegionⅠ]

[RegionⅡ]

ST : 乱流燃焼速度,SL : 選択拡散効果を考慮し推定した

乱流火炎の平均局所燃焼速度, u’ : 乱れ強さ，

: 形状係数 [=((Lf +L)/Lf)2], KaL: SL に基づくカーロビッツ数 [=u’/g· L/SL] ,Lf : 乱れの縦方向積分尺度, L : 予熱帯厚さ[ aL/SL], g :乱れのテイラー尺度, aL : 局所当量比を考慮した熱拡散率

選択拡散効果を考慮した平均局所燃焼速度SLを基準値にすることにより，包括的に乱流燃焼速度の予測が可能

火炎伸長効果(－)

火炎表面積増加効果(＋)

従来の研究とことなり、層流燃焼速度SL0ではなく乱流火炎の局所燃焼速度SLを基準に！

t+dt

tFlame1

Flame2

Unburned Mixture: ρu

Burned Gas:ρb

VF → SF

水素混合気の乱流燃焼速度モデルを構築するためには,

より詳細な局所燃焼速度特性の解明が必要不可欠

)(0

fSAAS L

L

TT 従来のモデル

0LL SfS )(

我々の研究

0LL SfS )(ＡT

Laminar Flame

SL0

ＡL0

Burned

Unburned

Turbulent Flame

Burned

Unburned

STS (f)L

S (f)L

連続２次元連続火炎写真撮影法による直接的な乱流火炎の局所燃焼速度の検討

連続２次元連続火炎写真撮影法による直接的な乱流火炎の局所燃焼速度の検討

M08-25NH05(S013)_1000rpm

?

?選択拡散

効果

乱流燃焼速度 ST

in the flamelet regime such as the combustion in the typical operation region of engines & combustin devices

換算局所火炎変位速度 SF Local Flame Displacement Velocity

SF = (b/u) × VF

火炎伝ぱ時間大

連続２次元火炎断層写真を用いた局所燃焼速度の直接的検討連続２次元火炎断層写真を用いた局所燃焼速度の直接的検討

0.0 1.0 2.0

1.0

2.0

u'/SL0 [–]

S F,m

/ S L

0 [–]

Fuel/O2/N2

H2

C3H8

SL0 = 25cm/sFuel = 0.8 = 1.2

P0 = 0.101MPaT0 = 298K

u' = 0.35, 0.49m/s

(RA/RC)3 ～ 0.018

CH4

at (RA/RC)30.018

SFの平均値SF,m (u’/SL0の影響)SFの平均値SF,m (u’/SL0の影響)

SF,m : Mean Value of SF

Leaner H2 or CH4 & Richer C3H8 mixturesSF,m is larger.This trend is correspond well with that of ST.

LT

T SAAS

0

characteristic chemical reaction time : 0 /SL0

characteristic flow time : Lf / u’

H08-25N

H12-25N

P12-25N

P08-25N

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

50

100

Turbulence Intensity u' [m/s]

Turb

ulen

t Bur

ning

Vel

ocity

S T

[cm

/s] Fuel/O2/N2

CH4

H2

C3H8

SL0 = 25cm/s

Fuel = 0.8 = 1.2

P0 = 0.101MPaT0 = 298K

)(/, MafSS LmuF 0

SL / SLl = 1 + Ma · Ka Smaller Ma Larger SLl / SL

-2.0 0.0 2.0

1.0

2.0

3.0

Markstein Number Ma [-](Laminar Flame)

S F,m

u / S

L0 [

-] (T

urbu

lent

Fla

me,

u'

/SL0

=1.4

)

0.81.21.4

(1- H)C3H8 -HH2

(1- H)CH4 -HH2

Markstein Number Ma と 乱流火炎のSF,muの関係Markstein Number Ma と 乱流火炎のSF,muの関係

Ma :Markstein numberKa :Karlovitz number

[= K・δD/SL=(2/rf)drf /dt・δD/SL]:the value of SLl at unstretched (plane) flame

(Ka=0)LS

SLl :burning velocity of spherical laminar flame relative to unburned mixture(stretched laminar burning velocity)[=(ρb/ρu)drf /dt]

rf :flame radius of outwardly propagating spherical flame (=ri)

SLl,i

r1 ri

SLl,1…..

SL r…..

水素微小火炎の燃焼制御をめざして着火＆燃焼 促進技術の開発研究

PowerMEMS*用超小型燃焼器の開発

①：Ignition Plug ②:Stand③ Perforated Plate, ④Fan

①

②

(b) Ignition plug & Stand

30mm

-stainless steel spark electrodes-Diameter D : 0.1 ~ 0.2 mm

Spark Gap W : 0.5 ~ 3.0 mm

Ignition Energy Ei : 2.4~194(266.2)mJ

(a) Cross-sectional View of Combustion chamber

Schematic diagram of combustion chamber for Meso-scale Spherical Laminar FlamesInitial Condition : P0=0.101MPa, T0=298K

100mm

Meso-Scale Flames [ rf < 5 mm ]

④

④③

③

windows for opticalobservation(Ø 85mm)

微小スケール水素伝ぱ球状層流火炎の燃焼特性微小スケール水素伝ぱ球状層流火炎の燃焼特性

=0.5

Ei=11.4mJ

H05-25N

外向きに伝ぱする微小球状層流火炎の写真例

0.2 ms 0.7 ms 1.2 ms 1.7 ms 2.2ms 2.7ms

平均燃焼速度SLl [cm/s]

火炎半径&燃焼速度の定義

平均火炎半径rf

[mm]

Z

H

微小火炎の火炎半径 rf & 燃焼速度 SLlの定義微小火炎の火炎半径 rf & 燃焼速度 SLlの定義

rf =(H+Z)/4

SLl,i = (b/u) × VLl,i

rf,i : Flame RadiusVLl,i : Flame Propagation Speed

[=(rf,i+1 – rf,i)/dt]dt : acquisition rateb :density of burned gasu :density of unburned mixture

SL: 火炎伸長がない時のSLl(at Ka=0) [SL0]

VLl,i

rf1 rfi

VLl,1

…..

SLl

rf…..

11mm

0 5 10 150.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

C3H8/N2orO2/AIR

P0 =0.101MPa T0 =298K

SL0 =25cm/s

Meso Macro

Ei =102 mJ ( = 0.8)

Ei =53 mJ ( = 1.0)Ei =29 mJ ( = 1.2,1.4)

For Meso rf < 5 mm

for =1.2&1.4

for=1.0 for=0.8

D[mm] 0.1 1.2 W[mm] 1.0, 4

0 5 10 150.0

0.5

1.0

1.5

2.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

CH4/N2orO2/AIR

P0 =0.101MPa T0 =298K

SL0 =25cm/s 0.80.9

D[mm] 0.1 1.2

1.0

Meso, Macro,

1.2

Ei=97 mJ(=1.2) Ei=53 mJ(=1.0) Ei=29 mJ (=0.8,0.9)

For Meso rf < 5 mm

W[mm] 1.0, 4

for =0.8 -1.0 for=1.2

0 5 10 150.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]H2/N2/AIR

P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/s 0.30.50.70.9

1.0

Ei =53 mJ (=1.0) Ei =35 mJ (=0.9) Ei =11 mJ (=0.3,0.5,0.7)

Ei =194 mJ (=1.2)

1.2 D[mm] 0.1 1.2 W[mm] 0.5, 4

For Meso rf < 5 mm

for =0.3 -0.9

for=1.0 for=1.2

Meso Macro

C3H8

Larger

火炎半径rf と燃焼速度SLl /SLの関係（燃料の影響）火炎半径rf と燃焼速度SLl /SLの関係（燃料の影響）

CH4

H2

Larger

Larger

Mes

GRAY Symbols:the discharge effect regions,transition periods in which the excessive increaseof SLl is accompaniedby thermal expansionbased on the discharge energy

0 5 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

H2/O2/N2

P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/s

D [mm] 0.1, 1.2

=1.0

H2/O2/CO2

H2/O2/Ar

W [mm] 0.5, 4

Ei=53.2mJ

Meso Macro

for Meso rf <5mm

0 5 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

H2/AIR/N2

P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/s

D [mm] 0.1, 1.2

=0.9

H2/O2/CO2

H2/O2/Ar

W [mm] 0.5, 4

Ei=34.6mJ

for Meso rf <5mm

Meso Macro

0 5 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

P0=0.101MPaT0=298KSL0=25cm/s

W [mm] 0.5, 4

=0.5

H2/O2/N2

H2/O2/CO2

H2/O2/Ar

D [mm] 0.1, 1.2

Ei =11.4mJfor Meso rf <5mm

Meso Macro

0 5 100.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Mean Flame Radius rf [mm]

SLl

/ S

L∞ [-

]

P0=0.101MPaT0=298K

SL0=25cm/s

W [mm] 0.5, 4

=0.7H2/O2/N2

H2/O2/CO2

H2/O2/Ar

D [mm] 0.1, 1.2

Ei =11.4mJ

for Meso rf <5mm

Meso Macro

=1.0

=0.7=0.5

=0.9

Ar

CO2

N2

CO2

Ar

N2

SL0 =25cm/s

CO2

火炎半径rf と燃焼速度SLl /SLの関係（希釈ガスの影響）火炎半径rf と燃焼速度SLl /SLの関係（希釈ガスの影響）

-2.0 -1.0 0.0 1.0 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Markstein Number Ma [-]

SLl

/ S

L∞ [-

]

P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/srf =4mmMeso-scale Flames

:C3H8-O2-N2

：H2-O2-N2

:CH4-O2-N2

H2/ O2/Dilution Gas

：H2-O2-Ar：H2-O2-CO2

From Ref.[12]

0.0 0.5 1.0 1.5 2.00.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Lewis Number Le [-]

SLl

/ S

L∞ [-

]

P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/srf =4mmMeso-scale Flames

:C3H8-O2-N2

：H2-O2-N2

:CH4-O2-N2

H2/ O2/Dilution Gas

：H2-O2-Ar：H2-O2-CO2

From Ref.[12]

Ma - SLl /SLLe - SLl /SL

dDaLe 0

for Meso-scale Flames [at rf =4 mm]

KaMa 1/ lLL SSMa estimated from Macro Flames

& according to Faeth’s methods

a0 : thermal diffusivity, Dd : diffusion coefficient of deficient reactant

, SL0 =25cm/s

微小火炎の燃焼速度SLl /SL（ at rf =4 mm）とルイス数Le またはマークスタイン数 Maとの関係

微小火炎の燃焼速度SLl /SL（ at rf =4 mm）とルイス数Le またはマークスタイン数 Maとの関係

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Karlovitz number Ka [-]

SL∞

/ S

Ll

[-]

C3H8/N2 or O2/AIR

P0 =0.101MPa T0 =298K

SL0 =25cm/s

Meso, Macro

W [mm]D [mm]

1.01.21.4Ei =53mJ ( = 1.0)

1.0 41.20.1Ei =29mJ ( = 1.2,1.4)

For Meso rf < 5 mm 0.8

Ei =102 mJ ( = 0.8)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

Karlovitz Number Ka [-]

SL∞

/ S

Ll [-

]

H2/N2/AIR P0=0.101MPa T0=298K

SL0=25cm/s

1.2

0.5

D[mm] 0.1, 1.2

0.70.9

1.0

Ei =53mJ (=1.0) Ei =35mJ (=0.9) Ei =11mJ (=0.3,0.5,0.7)

For Meso rf < 5 mm

Meso Macro

W[mm] 0.5, 4

0.3

Ei =194 mJ (=1.2)

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.20.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Karlovitz Number Ka [-] S

L∞ /

SLl

[-

]

CH4/N2orO2/AIR

P0 =0.101MPa T0 =298K

SL0 =25cm/s

0.80.9

D[mm] 0.1 1.2

1.0

1.2 Ei=97 mJ(=1.2) Ei=53 mJ(=1.0) Ei=29 mJ(=0.8,0.9) W[mm] 1.0, 4

For Meso rf < 5 mm

Meso, Macro,

C3H8

Karlovitz数Ka（火炎伸長率）と燃焼速度SL / SLlの関係Karlovitz数Ka（火炎伸長率）と燃焼速度SL / SLlの関係

CH4

H2

Karlovitz number Ka

202

Ll

f

f Sa

dtdr

r

LlSdt

AIndKa 0

LlSdtdA

A01

dtdr

S f

u

bLl

0: preheat zone thicknes, SLl:burning velocity,

A: flame surface element of area,rf : flame Radius, a0: thermal diffusivity, t :time

SLl

larger

by Williams’ general expression

水素の安全利用をめざして水素爆発・爆ごう防止技術開発のための

伝ぱ火炎の燃焼機構の解明

平成１３(2001)年１１月７日 中部電力（株）浜岡原子力発電所１号機余熱除去系蒸気凝縮系配管の破断

・・・平成１６(2004)年 ２月２１日 中部電力（株）浜岡原子力発電所２号機

２号機タービン建屋屋上発電機水素ガス排出配管出口付近における火災

・・・

平成２３(2011)年３月１２日 福島第一原子力発電所 １号機平成２３(2011)年３月１４日 福島第一原子力発電所 ３号機

平成１７(2005)年１２月７日 九州大学水素ステーション（伊都キャンパス）高圧水電解水素ステーションでの配管の破断

・・・

・・・１９３７年５月６日 ドイツの飛行船ヒンデンブルグ号の事故

米国ニュージャージー州レイクハースト海軍飛行場

・・・平成３(1991)年５月１６日 宇宙開発事業団角田ロケット開発センター

水素爆発事故（ＬＥ－７）

・・・

0 0.2 0.4 0.6 0.8 10

1

2

3

4

5

6

7

8

xF/H [−]

V F

/VF0

[−]

H2/AIR/CO2+HeSL0=50cm/s,=0.7

NTPUpper End: OpenIgnition: Bottom: CO2

=1.0

: CO2=0.0

: CO2=0.2

: CO2=0.8

: CO2=0.5

H：点火栓位置から燃焼器開放端部

までの距離460 mmVF0：火炎が燃焼器の側壁や底面に達していない

位置 xF=20mmにおける伝ぱ速度

無次元火炎伝ぱ速度VF/VF0と無次元火炎伝ぱ距離xF/H（=0.7）無次元火炎伝ぱ速度VF/VF0と無次元火炎伝ぱ距離xF/H（=0.7）

460

Ignition Plug

40

各混合気の火炎伝ぱ速度の増加率を評価

開放端近傍の火炎伝ぱ速度は，点火初期の5倍以上にも加速

狭隘空間型

燃 料 酸素（空気） 希釈ガス

拡散速度の大小の関係

＋ ＋

酸素（空気）

＞ ＞燃 料 希釈ガス燃焼促進

希薄混合気

＞ ＞ 燃 料希釈ガス燃焼抑制

水素，メタン・・ 二酸化炭素・・

ヘリウム・・ プロパン, ガソリン・・

分子拡散特性 (or 選択拡散効果)に着目した，層流・乱流場での燃焼制御技術の開発が可能

①半径5mm以下の微小な火炎の燃焼特性を把握・評価する手法を開発② ２００種類以上の燃料－酸素－希釈ガス混合気の乱流燃焼速度特性や

分子拡散を考慮した局所燃焼速度特性の把握・評価③局所燃焼速度を基準とした乱流燃焼速度整理式を提案

①半径5mm以下の微小な火炎の燃焼特性を把握・評価する手法を開発② ２００種類以上の燃料－酸素－希釈ガス混合気の乱流燃焼速度特性や

分子拡散を考慮した局所燃焼速度特性の把握・評価③局所燃焼速度を基準とした乱流燃焼速度整理式を提案

予混合気：

酸素（空気）

・乱流燃焼速度モデルの提案

0 0.5 10

0.2

0.4

0.6

KaL

(ST–

SL)

/SL

x L

/g

SL/SL0=1.0

Quenching LimitRegion Ⅰ Region Ⅱ

H2 (H113–15)CH4 (M098–15)C2H6(E110–15)C3H8(P114–15)CH4 by a Model Eq.

SLO=15cm/s

ST = SL + 2/2・u'√

水素-炭化水素-希釈ガス混合気の乱流燃焼速度データベース

2122

LLT KauSS

'

既燃ガス

未燃混合気

これまでの研究成果のまとめこれまでの研究成果のまとめ

・乱流伝播火炎＆微小層流伝播火炎＝湾曲した火炎分子拡散特性が重要な因子（乱流燃焼場：選択拡散効果）！

中原真也：水素燃焼関連の主たる論文(1) 水素-プロパン-空気希薄混合気の乱流燃焼速度に与える局所燃焼速度特性の影響

中原 真也，松尾 佳憲，大元 喜雄，佐伯 翼，阿部文明日本機械学会論文集(B編)，81巻，822号(2015） 1頁-13頁

(2) Effect of Dilution Gas on Burning Velocity of Hydrogen-Premixed Meso-scale Spherical Laminar FlamesMasaya NAKAHARA, Fumiaki ABE, Kenichi TOKUNAGA and Atsushi ISHIHARA，Proceedings of the Combustion Institute, Volume 35(2015), pp. 639-646

(3) 水素-酸素-アルゴン理論混合気の乱流燃焼速度に与える局所燃焼速度特性の影響中原真也，西部祥平，松尾佳憲，大元喜雄，阿部文明日本機械学会論文集(B編)，79巻，804号(2013）1675頁-1684頁

(4) Fundamental burning velocities of meso-scale propagating spherical flames with H2, CH4 and C3H8 mixturesMasaya NAKAHARA, Fumiaki ABE, Kenichi TOKUNAGA and Atsushi ISHIHARAProceedings of the Combustion Institute, Volume 34(2013) pp.703-710

(5) 水素-酸素-希釈ガス混合気の微小球状伝ぱ層流火炎の基礎燃焼速度特性中原真也，大西義明，西原司，阿部文明日本機械学会論文集(B編)，78巻，793号(2012）1640頁-1649頁

(6) 水素添加プロパン予混合乱流火炎の局所燃焼速度特性に関する実験的検討中原真也，橋本 淳，白砂貴盛，月川正善日本機械学会論文集(B編)，75巻，760号(2009) 2550頁-2557頁

(7) 水素混合気の局所燃焼速度に基づく乱流燃焼速度の整理に関する研究中原真也，城戸裕之日本機械学会論文集(B編)，74巻，746号(2008) 2229頁-2235頁

(8) Effect of Stretch on Local Burning Velocity of Premixed Turbulent FlamesMasaya NAKAHARA, Hiroyuki KIDO, Takamori SHIRASUNA and Koichi HIRATAJournal of Thermal Science and Technology, Vol.2, No.2 (2007) pp.268-280

(9) トンネル状空間を伝ぱする水素予混合火炎の基礎燃焼特性に関する実験的検討中原真也，熊谷守晃，安川哲平，城戸裕之水素エネルギーシステム, Vol.32, No.3(2007) 24頁-31頁

(10) 選択拡散効果を考慮した乱流燃焼速度の整理城戸裕之, 中原真也日本機械学会論文集(B編)，63巻，614号(1997） 3477頁-3483頁