(57)【要約】【課題】浮き上がり噴流拡散火炎の安定性は、特に火炎の最上流端における火炎基部の特性に依存している。これは、バーナ出口から火炎基部に至るまでに燃料と酸化剤が部分的に予混合化される領域があり、この予混合化の度合いによっては火炎基部が伝播性を有し、そこに流入する流速と釣り合う高さに定在するという考察に立ち、実燃焼器の最適化を目指す上で、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子として火炎上流の流れ場及び混合場に着目し、それらを能動的に制御する手法、すなわち浮き上がり噴流拡散火炎を簡便な手法により、火炎の方向や大きさを的確に制御できる制御方法及びそのための装置を提供すること。【解決手段】火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器１における燃焼制御を行う。【選択図】図５
2008281314.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことを特徴とする噴流型燃焼器の火炎制御方法。
【請求項２】
前記振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることを特徴とする請求項１に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法。
【請求項３】
火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することを特徴とする請求項１または２に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法。
【請求項４】
火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことを特徴とする噴流型燃焼器の火炎制御装置。
【請求項５】
前記振動励起手段が、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることを特徴とする請求項４に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、噴流型燃焼器における火炎の方向や大きさを的確に制御できる制御方法及びそのための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
長年に渡って、熱機関の効率向上のための排熱再生や燃焼温度上昇のための新材料開発、有害排出物の削減のための後処理技術などの様々な技術開発が行われてきた。一方で、燃焼自体の改善という面では、燃焼効率と有害排出物とはトレードオフの関係にあることや非常に複雑な現象であることから、それらを極限まで突き詰めた燃焼器の設計をすることは困難であった。この燃焼器の最適を目指して、近年では、学術的な燃焼現象の解明も進められており、計算機性能の著しい向上による燃焼シミュレーション技術、さらには新素材・電子制御技術との融合により、新たな燃焼システムの開発が試みられている。例えば、HiCOTなどの次世代燃焼技術、マイクロガスタービンなどの分散電源システム、ピエゾインジェクタによる次世代型ディーゼルエンジン燃焼技術などが挙げられる。このような次世代の理想的な燃焼器開発を行うには、基礎的な燃焼現象の解明、実燃焼器に応用されうる多角的な技術開発の両方が必要であり、最終的にそれらを融合させていくことが重要である。
【０００３】
火炎の燃焼状態は、燃焼前における燃料と酸化剤の混合状態によって予混合火炎と拡散火炎の2つに分類される。予混合火炎は、燃料と酸化剤が予め混合された状態で燃焼する火炎であり、伝播性を有する。一方で、拡散火炎（非予混合火炎）は、燃料と酸化剤が別々にバーナへ供給され、それらの混合は拡散過程によって行われて燃焼する火炎である。燃焼の進行は燃料と酸化剤の拡散速度で律せられ、予混合火炎のような伝播性を有しない。
【０００４】
従って、拡散火炎は、逆火や爆発といった危険な現象を起こさないため、実燃焼器において噴流拡散火炎が広く用いられており、研究例も多い。この噴流拡散火炎は、火炎をバーナから浮き上がらせることでNOxが低減すると期待されている。Fujimori等は、浮き上がり火炎基部（バーナリムから浮き上がった状態で定在する火炎の最上流部）の上流で燃料と酸化剤の混合が促進され、NOx低減に効果的であると報告している。この浮き上がり噴流火炎は、噴流バーナから火炎が浮き上がることでバーナリムとの接触を避け、バーナリムを構成する金属などの材料の損傷を防ぐという利点がある。その反面、バーナリムに付着した火炎やパイロットバーナなどで保炎されている火炎に比べ安定性に劣り、吹き飛びが生じやすいなどの欠点がある。
【０００５】
従来、低NOx燃焼装置において、希薄火炎の濃度を更に薄くすることで更に低NOx化を図り且つ燃焼量可変を確保するような技術が提案されている。具体的には、希薄室と連通し希薄混合気を供給する希薄炎口と、この希薄室に隣接した第一混合気室に連通し希薄炎口に近接した第一炎口と、前記第一混合気室に隣接した第二混合気室に連通し前記第一炎口に近接して設けた第二炎口を有し、第一混合気室の濃度を第二混合気室の濃度より濃くすると共に、希薄混合気と第一混合気と第二混合気の流量を同率で増減させるようになっており、燃焼量を増減した時も希薄炎口から噴出した淡混合ガスと第一炎口から噴出した濃混合ガスは流れのパターンが相似的となり、流れの濃度差が維持されるため、濃混合ガスからの物質拡散が安定して持続され、希薄混合気の濃度を小さくして超低NOx化を図るものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−４８３３７号公報（第６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし特許文献１のような希薄混合気の濃度の制御による浮き上がり噴流拡散火炎の制御では、実燃焼器の高効率化及び環境負荷低減に対しては、有利なものとなるが、その一方、火炎の安定性制御として未だ十分なものではなく、かつ排出ガス中の窒素酸化物などの有害排出物の低減と、燃焼温度を可能な限り高める燃焼状態とを両立できるものではない。
【０００８】
本発明は、浮き上がり噴流拡散火炎の安定性は、特に火炎の最上流端における火炎基部の特性に依存している。これは、バーナ出口から火炎基部に至るまでに燃料と酸化剤が部分的に予混合化される領域があり、この予混合化の度合いによっては火炎基部が伝播性を有し、そこに流入する流速と釣り合う高さに定在するという考察に立ち、実燃焼器の最適化を目指す上で、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子として火炎上流の流れ場及び混合場に着目し、それらを能動的に制御する手法、すなわち浮き上がり噴流拡散火炎を簡便な手法により、火炎の方向や大きさを的確に制御できる制御方法及びそのための装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、
火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことを特徴としている。
この特徴によれば、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
【００１０】
本発明の請求項２に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、請求項１に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法であって、
前記振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることを特徴としている。
この特徴によれば、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子が、火炎上流の流れ場ないしは混合場であることが判明し、この部分を振動励起で制御することにより、最適な制御が可能となる。
【００１１】
本発明の請求項３に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、請求項１または２に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法であって、
火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することを特徴としている。
この特徴によれば、燃料系の密度の選択により、容易に火炎の偏向方向制御が可能となる。
【００１２】
本発明の請求項４に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置は、
火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことを特徴としている。
この特徴によれば、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
【００１３】
本発明の請求項５に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置は、請求項４に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置であって、
前記振動励起手段が、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることを特徴としている。
この特徴によれば、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置させることで、噴流が偏向される作用に優れ、かつ振動励起により噴流の乱流化を助長でき、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用を効果的に得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の実施例を以下に説明する。
【実施例】
【００１５】
本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、噴流型燃焼器に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図である。図２は、バーナ上で形成される浮き上がり噴流火炎の写真及びバーナの一部断面図である。図３は、燃料流速と空気流速の条件による噴流火炎の基本特性を示す図である。図４は、代表的な火炎についての写真である。図５は、振動励起システム全体の概念図である。図６は、高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真である。図７は、振動面と反射面との間の定在波を示す図である。図８は、火炎の浮上がり高さの定義とバーナからの火炎のずれの定義を示す図である。図９は、各計測における流速設定条件を示す図である。図１０（ａ）は、ケースAにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）と同じく写真である。図１１（ａ）は、ケースBにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）と同じく写真である。図１２は、振動励起による浮上がり高さの変化について計測条件を分類した表である。図１３は、Ｖｆ＝0.7ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１４は、Ｖｆ＝1.4ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１５は、Ｖｆ＝2.1ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１６は、Ｖｆ＝2.8ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１７は、Ｖｆ＝4.2ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１８は、Ｖｆ＝5.6ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図１９は、Ｖｆ＝7.0ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。図２０は、アセトンPLIF法について計測条件を分類した表である。図２１は、振動励起システムの配置、レーザシート光の照射方向を示す図である。図２２は、ケース2-iにおける計測結果を示す図である。図２３は、ケース2-iiにおける計測結果を示す図である。図２４は、ケース5-iiiにおける計測結果を示す図である。図２５は、ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。図２６は、ケース5-iii，ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。図２７は、ケース6-vにおける計測結果を示す図である。図２８は、ケース6-viにおける計測結果を示す図である。図２９は、ケース6-v及びケース6-viにおける計測結果を示す図である。図３０は、メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果を示す図である。
【００１６】
図１に、噴流型燃焼器としての同軸噴流型のバーナ１に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図を示す。燃料としてメタン、酸化剤として乾燥空気を用いている。メタンはガスボンベ２に取り付けられた調圧器３で所定の圧力（本実施例では0.24Mpa）に調圧した後、流量調節器５で流量を調節され、その体積流量は電子式流量計４により表示される。流量調節されたメタンは開閉弁１５を通過し、開閉弁６ａを介してバーナ１に直接に導入される第１の流路（図中（ａ））と、開閉弁６ｂを介して接続されたアセトンを添加するアセトン添加部１６を経由してバーナ１に導入される第２の流路（図中（ｂ））とに分岐される。なお、一方の流路を使用する際には、他方の流路に介在する開閉弁６ａ若しくは６ｂは閉じられる。
【００１７】
同様に、乾燥空気はガスボンベ７に取り付けられた調圧器８で所定の圧力（本実施例では0.26Mpa）に調圧した後、流量調節器１８及び電子式流量計９により体積流量を調整され、開閉弁１７を通過してバーナ１に導かれる。設定条件に応じた体積流量に調節された燃料と酸化剤は、それぞれ主流、周囲流としてバーナ１に導入される。
【００１８】
図２に、バーナ１本体の詳細を示す。バーナ１は、定在高さが高く、かつ安定な浮き上がり噴流火炎を形成するために同軸噴流型を用いている。上述した供給系によりバーナ１に導入された燃料及び酸化剤流は、バーナ１内部で直径2mmのシリカビーズを満たした層を通過させることで十分に整流を施した。主流である燃料流は、内側整流部１ａを通過した後、金属メッシュ１ｂで十分に乱れを抑制し、内側ノズル１ｃを介して周囲流中に噴出される。同様に、周囲流である酸化剤は、外側整流部１ｄと金属メッシュ１ｂで乱れを抑制した後、外側ノズル１ｅより静止大気中に噴出される。
【００１９】
本実施例では、浮き上がり噴流火炎の燃焼能動制御を目指して、浮き上がり領域において高周波振動により励起を行い、流れ場及び混合場を変化させる実験を行った。振動励起による影響を明確にするために、周囲雰囲気の乱れの影響などを極力減らす必要があり、これに適した同軸噴流型のバーナ１を用いている。
【００２０】
また図２に、バーナ１上で形成される浮き上がり噴流火炎の一例の写真とバーナ上で用いる座標系を示す。内側ノズル１ｃと外側ノズル１ｅの出口流速を適切に設定することで、写真のような浮き上がり噴流火炎が形成される。なお、座標系はバーナ出口中心を原点とする直交座標系(x, y, z)を用いることとする。尚、x軸とy軸の方向は図に示すように定義し、z軸は右手系座標系に沿うように手前に伸びる方向と定義する。
【００２１】
図３に、バーナ１上で形成される噴流火炎の基本特性を明らかにするため、様々な設定条件について調べた結果を示す。燃料流速及び空気流速を変化させた時に観測される火炎の状態は、（ａ）バーナ付着、（ｂ）安定浮き上がり、（ｃ）振動浮き上がり、そして（ｄ）吹き飛びの4つに分類され、それぞれ図３中に示す（ａ）〜（ｄ）の領域に対応している。
【００２２】
ここで、（ａ）バーナ付着とは、火炎端がバーナリムに付着した状態のことである。本実施例に用いたバーナ１における燃料流速設定範囲では、周囲流に空気を流さない場合において火炎は全て（ａ）バーナ付着の状態となった。燃料流速をある一定値に設定し、空気流速を増大させていくと、あるところから火炎端がバーナリムから離れ、安定に浮き上がった状態の火炎が形成される。その状態から空気流速を減少させていくと火炎はバーナ１に再付着するが、浮き上がりが生じた空気流速よりも低い値となり、浮き上がりとバーナ付着の間の状態変化はヒステリシスを持つ応答となった。（ｂ）安定浮き上がり状態から、さらに空気流速を増大させていくと、周囲雰囲気の乱れや火炎への浮力の影響などから、火炎の定在高さが時間的に変動するような（ｃ）振動浮き上がり状態へと遷移する。その状態には、層流火炎の周期的な振動及び乱流火炎への遷移による振動の2つの状態が含まれる。そして、空気流速を増大させると、最終的には火炎が（ｄ）吹き飛びに至る。
【００２３】
以上のことを踏まえ、バーナ１上に浮き上がり噴流火炎を形成するためには、（ｂ）及び（ｃ）の領域に対応するメタンと空気の流速設定条件にすれば良い。
【００２４】
また図４に、（ｄ）吹き飛びを除く各領域における代表的な火炎についての写真を示す。（ａ）バーナ付着の領域については図４（１）に示す。また、（ｂ）及び（ｃ）の領域内においても、図４（２），（３），（４）及び（５），（６）に示すように、その火炎長さや火炎形状は様々に変化させることが可能である。
【００２５】
本実施例では、主流噴流の可視化にアセトンPLIF法を用いた。アセトンPLIF法とは、流れ場のトレーサとしてアセトン蒸気を添加して、そこにレーザシート光を照射して励起した。アセトン分子が発する蛍光発光を計測する手法である。本実施例では、アセトン蒸気は燃料であるメタンに添加される。
【００２６】
次に、高周波振動をバーナ１出口直上で軸方向に垂直に照射し、噴流場及び浮き上がり噴流拡散火炎の燃焼特性に与える影響について、以下に示す。
【００２７】
図５に、振動励起システム全体の概念図を示す。本システムは、バーナ１と、バーナ１上の浮き上がり噴流火炎を制御する火炎制御装置２０と、から構成されている。火炎制御装置２０について詳しく説明すると、振動子１０には、伝達用ホーン１１を連結しており、駆動電源１２により振動子１０の各電極間に正弦波電圧を印加することによって、伝達用ホーン１１の端面に形成された振動面１１ａから振動を発生させるようになっている。本実施例では、振動システム全体において、振動面の速度変化が緩やかな正弦波によって駆動する。駆動電源１２には、容量性負荷の駆動に柔軟に対応可能なバイポーラ電源を用いている。また、駆動波形の生成にはファンクションジェネレータ１３を用い、波形の振幅やオフセットは図示しないオシロスコープでモニタリングを行い調整している。
【００２８】
高周波振動の発生方法としては、材料の圧電現象や磁歪現象を利用した振動子を用いる方法が主である。本実施例では、その中でも強力な高周波振動を発生するために広く用いられるボルト締めランジュバン型振動子を採用している。
【００２９】
振動面１１ａは、所定の直径（本実施例では15mm）の円形である。また、振動面１１ａに対向させて反射面１４ａを配置するように、反射体１４を設置している。反射面１４ａの直径は、振動面１１ａと略同径の円形であり、アルミ製である。振動面１１ａと反射面１４ａとは、中心軸を一致させて配置されているとともに、反射体１４は中心軸方向にスライド移動できるように配設されており、振動面１１ａと反射面１４ａとの間隔を任意に調整可能となっている。また、バーナ１の中心軸（ｙ軸）と振動面１１ａ及び反射面１４ａの中心軸とは直交するように設置され、振動面１１ａ及び反射面１４ａの中心軸の高さ位置を、バーナ１出口直上の所定高さ（本実施例では振動面の中心がｙ=7.5mm）とした。これらの機構により、振動面１１ａと反射面１４ａの間隔の微調整ができ、且つそれらの間隔を維持したまま、バーナ座標系の半径方向に変化が可能な振動励起手段としての高周波振動励起システムが構築されている。
【００３０】
高周波振動励起システムにおいては、振動面１１ａからの音響流が生じることにより、流れ場へ作用すると考えられる。図６に、高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真を示す。高周波振動を励起させない場合、火炎はバーナ１中心軸上に垂直に火炎が形成される。しかし、高周波振動を発生させると振動面１１ａ側から押し退けられるように火炎が傾く現象が生じる。また、振動面１１ａ側の火炎面は陥没したような形状となった。また、この傾向は時間的にあまり変化しなかったため、振動面１１ａから定常的な流れ場が、つまり振動面１１ａからの音響流の発生が考えられる。
【００３１】
次に、図７に示されるように、本実施例で用いる振動波について説明すると、一対の振動面１１ａと反射面１４ａとの間に定在波を形成することを想定する。振動面１１ａは自由端であって、反射面１４ａは固定端となるため、定在波を形成するためには図７に示す4分の1波長の奇数倍（２ｎ−１）・λ／４の間隔が必要である。ただし、ｎは任意の正の整数である。また、図７に示した定在波の振幅は、音波の縦波における速度の振幅を示しており、圧力の場合は速度と逆位相となる。
【００３２】
本実施例では、バーナと噴流の位置関係を変化させて、流れ場に対する影響を調べるために、少なくとも振動面と反射面を含まない位置で半波長分の定在波を確保することとした。そのためには、少なくとも５λ／４以上の定在波が必要である。ここで、音波の波長λ[m]は、音速ａ[m/s]と周波数ｆ[Hz]を用いて、数式１で表される。
【００３３】
【数１】
2008281314.tif 000003
【００３４】
また、音速ａ[m/s]は、音波の伝わる媒質に依存し、比熱比γ[J/mol・K]、圧力ｐ[Pa]、密度ρ[kg/m3]を用いて、数式２で表される。さらに、理想気体の状態方程式より、気体定数Ｒ[J/(kg・K)]と絶対温度Ｔ[K]を用いると、
【数２】
2008281314.tif 000004
【００３５】
本実施例では、実験室の気温は20℃程度に保たれているので、媒質を20℃の空気とすると、その際の音速は、ａ＝343.1m/sとなる。ここで、本実施例で用いたバーナ直径ｄは、20mmであるので、振動面や反射面が噴流と干渉させないためには、それ以上の間隔にする必要がある。また、形成された定在波と噴流の位置関係を変化させるためには、定在波の腹と節の1サイクルである半波長分は移動させる必要がある。そこで、以下の数式３が得られる。
【００３６】
【数３】
2008281314.tif 000005
【００３７】
よって、定在波が５λ／４（ｎ＝３）と７λ／４（ｎ＝４）の場合を考えると、それぞれ周波数の制約条件は、数式１，２を用いて次の数式４，５のようになる。
【００３８】
【数４】
2008281314.tif 000006
【００３９】
【数５】
2008281314.tif 000007
【００４０】
このように、それぞれの波長の定在波を形成するためには、振動周波数の上限が決定できる。さらにｎが大きい場合にはより高い周波数が必要となり、空気中での減衰も激しくなると考えられ、それ以上の周波数については選定の対象外とする。
【００４１】
次に、振動励起を行うにあたり、バーナ１と振動励起システムとの最適な位置関係、つまり形成される定在波のどの位置に噴流が存在するのが最適であるかについて、以下に述べる。先ず、振動励起システムをバーナ１出口直上においてｘ軸方向に移動させて、浮き上がり火炎の定在位置がどのように変化するかについて示す。火炎の定在位置を評価するパラメータとして、浮き上がり高さ（Ｈ）及びバーナ１中心軸と火炎中心軸のずれ（Δｘｃ）を測定した。
【００４２】
図８に、浮き上がり噴流拡散火炎のおける浮き上がり高さの定義について示す。バーナ１出口を鉛直上方に向けて開口するようにバーナ１を配置し、バーナ１出口面の中心点を原点Ｏとし、略平行に対向して配置した振動面１１ａ及び反射面１４ａに直交する方向をｘ軸とし、バーナ中心軸をｙ軸とする。浮き上がり高さ（Ｈ）は、バーナ１出口から火炎下端までのy軸方向距離とし、振動励起により火炎が非対称な構造を有した場合は、火炎の中心軸と正面からみたときの火炎両側の最上流端を結んだ直線の交点の位置を浮き上がり高さとした。また、図８に、バーナ１中心軸と火炎中心軸のずれの定義について示す。火炎の中心軸を火炎の写真により決定し、計測を行った。なお、ｘ軸は振動面１１ａ側を正とし、ｙ軸は鉛直上方を正とした。
【００４３】
後述する各計測における流速設定条件は図９に示す。これらは、振動励起によって火炎が層流火炎のまま変化しなかった場合（ケースA）と、火炎が乱流火炎に遷移した場合(ケースB)の2条件である。どちらも設定流速は燃料及び空気ともに層流の範囲内である。本実施例では、振動面１１ａと反射面１４ａの間隔は30mmとし、振動子１０の駆動周波数は20.27kHzとした。振動子１０印加電圧の振幅は105Vとした。振動励起システムの位置は振動面１１ａ及び反射面１４ａがバーナ１出口面に干渉しない範囲で変化させた。
【００４４】
図１０（ａ）に、ケースAにおける火炎定在位置の変化について調べた結果を示す。Ｈ及びΔｘｃは、バーナ中心ノズル直径ｄ（本実施例では2mm）で無次元化してある。図１０（ａ）の横軸は、振動面１１ａからバーナ１中心軸までの距離Ｌとした。図１０（ａ）の縦方向の点線は、定在波における圧力の節の位置である。また、横方向の実線は、振動励起を行わない場合の火炎の浮き上がり高さである。
【００４５】
この結果より、節の位置、及び節と節の間に位置すると考えられる腹の位置を境に、火炎の定在位置が大きく変化することがわかる。Ｈ／ｄは、λの節の位置と３λ／４の腹の位置付近で、それぞれ鋭い極大値をとる。この高さは、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さとほぼ一致する。その一方で、節と腹の間の領域においては、浮き上がり高さが低下することがわかった。そして、節と腹の中心付近で極小値を持つ。Δｘｃ／ｄは、λの節の位置と３λ／４の腹の位置付近で０となる。振動を励起させない場合は、バーナ中心軸上に軸対称な浮き上がり火炎が形成されるので、λの節の位置と３λ／４の腹の位置付近では振動励起による変化が認められない。
【００４６】
一方で、節と腹の間の領域においては、火炎がバーナ中心軸からｘ軸方向にずれるような結果が得られた。その中心付近で極小値・極大値を示す傾向は、Ｈ／ｄの場合と同様である。火炎面の水平位置は３λ／４からλの範囲では振動面側に引き寄せられる方向へ、λから５λ／４の範囲では、振動面から火炎が遠ざけられる方向へとそれぞれ変化することがわかった。つまり、腹へ近づく方向へ火炎が移動したということになる。
【００４７】
図１０（ｂ）に示した写真の火炎画像から、Ｈ／ｄが極小値をとる位置（ａ）、（ｃ）においては、火炎が非対称に傾くような傾向がみられ、節の位置（ｂ）を境に傾く方向が変化することがわかる。以上の火炎におけるＨ／ｄ及びΔｘｃ／ｄの評価による検討結果からは、振動励起による効果が大きいと考えられる振動励起システムとバーナの位置関係は、ちょうどバーナ中心軸が定在波における節と腹の中心となる位置する場合であると考えられる。
【００４８】
次に、図１１（ａ）に、ケースBにおける火炎定在位置の変化について調べた結果を示す。また、図１１（ｂ）に、火炎の写真についても併せて示す。この結果より、Δｘｃ／ｄについては、ケースAと同様の傾向であることが分る。Ｈ／ｄについては、振動励起による乱流火炎への遷移がみられたため、図１１（ｂ）に振動励起を行わない状態における火炎の写真を示した。火炎端の形状や浮き上がり高さの時間的変化はなく、層流火炎に分類できる。
【００４９】
一方で、振動励起を与えた場合は、図１１（ａ）の（ａ），（ｃ）に示すように乱流火炎に遷移する場合が多かった。ただし、（ｂ）については層流火炎となった。つまり、浮き上がり高さの違いはあるものの、振動励起を与えない場合の火炎形状に近い。また、（ｂ）はバーナ中心軸がλの節の付近に位置する条件であり、バーナ中心軸が節付近に位置する場合は振動励起による火炎への影響が小さくなるという点はケースAと同様である。層流火炎と乱流火炎では浮き上がり高さの決定因子が大きく異なると考えられ、両者を単純に比較することはできないと考えられる。そこで、層流火炎となった（ｂ）を除いて、乱流火炎へ遷移した条件のみを比較した。これらの条件について比較すると、バーナ中心軸が振動面に最も近い（ａ）の条件でＨ／ｄが最小となる。ここで、バーナ中心軸上における音波のエネルギ密度は、振動面から離れるほど音波が拡がるため、（ａ）の条件が最も高いと考えられる。その結果として、噴流の乱流化促進効果が最も高くなると考えられ、乱流化促進効果には音波のエネルギ密度が大きく関与することが考えられる。
【００５０】
以上のことから、ケースA及びケースBにおいて振動励起による火炎定在位置の変化について調べた結果として、3つの影響があることが分かった。第一には、振動励起により火炎がバーナ中心軸からずれを生じるという点であり、これは流速設定条件によらず同じ傾向を示し、いずれも定在波における圧力の腹（振幅の節）の方向へ移動するという結果となった。しかしながら、節及び腹付近に噴流中心が位置する条件では、振動を励起させない場合とほぼ変わらない位置に火炎が形成された。第二に、ケースAにおいては、噴流中心がちょうど節と腹の中心付近で極小値をとり、振動励起による浮き上がり高さの変化が大きいことがわかった。第三に、ケースBにおいては、振動励起によって層流火炎が乱流火炎へ遷移する現象がみられ、それらの条件では浮き上がり高さの変化は振動面に近いほど大きいという傾向がみられた。しかし、λの節もしくは振動面と反射面の中心付近に噴流中心が位置する条件では、乱流火炎への遷移がみられないという結果が得られた。
【００５１】
以上の結果を踏まえて、振動励起による効果が最も大きいと考えられる振動励起システムとバーナ１の位置関係について検討を行う。2つの条件におけるΔｘｃとケースAのＨを評価した結果においては、噴流中心が定在波における腹と節の間の領域に位置する場合において振動励起による影響が大きい。よって、３λ／４の腹とλの節の間、もしくはλの節と５λ／４の腹の間のどちらかに噴流中心が位置する場合がより効果的である。また、ケースBのＨを評価した結果に基づけば、乱流化の促進効果がより高いのは、振動面１１ａに近くに噴流中心が位置する場合である。よって、噴流中心をより振動面１１ａに近づけることが効果的である。その他、振動システムを移動可能な範囲には、バーナ１出口との干渉により制約がある。また、振動面１１ａや反射面１４ａが流れ場を妨げないようにするためには、両者を可能な限りバーナ１から離れた位置に設置するのが好ましい。以上のことを総合して鑑みると、前述した2つの範囲の中でも、より振動面１１ａに近いほうを選択すべきである。よって、３λ／４の腹とλの節の中心付近であるＬ＝１４ｍｍが振動励起効果を最も大きくする位置であると考えられる。
【００５２】
次に、上述したよりも幅広い流速設定条件で、振動励起による浮き上がり高さの変化について調べた結果について述べる。浮き上がり高さの変化は、吹き飛びやすさなどの火炎の安定性を調べる上でも重要である。実験手順として、まず燃料及び空気の流速を設定した。燃料出口流速Ｖｆ（中心流）を一定とし、空気出口流速Ｖａ（周囲流）を増加させ、火炎を浮き上がらせた。このように振動励起を行わない状態で火炎を定在させ、その時の浮き上がり高さの計測を行った。その後、振動励起を開始させ、振動励起時の浮き上がり高さの計測を行った。この時、火炎が定常状態になるまで一定時間（本実施例では２〜３秒間）の経過を待った。設定条件によっては、バーナへの再付着及び火炎の吹き消えが生じた場合もあった。その際には浮き上がり高さはそれぞれ０及びデータなしとした。最終的には、火炎の吹き飛びが生じる流速まで増加させ、吹き飛び限界における浮き上がり高さまでを実験範囲とした。振動励起時の吹き飛び限界は、振動励起を与え続けた状態で火炎が吹き飛ぶまで空気出口流速を増大させて計測を行った。
【００５３】
図１２に示されるように、Ｖｆ＝0.7, 1.4, 2.1, 2.8, 4.2, 5.6, 7.0ｍ／ｓの各条件について計測を行った。この時、振動面と反射面の間隔は30ｍｍと設定し、駆動周波数と印加電圧は、それぞれ20.27kHz，105Vとしている。また、振動システムとバーナ１との相対的な位置関係は、上記において検討した結果、最適位置と判断した、噴流中心が７λ／４の定在波におけるλの節と３λ／４の腹の中心付近となるように設定を行っている。
【００５４】
計測を行った全7条件は、火炎状態の変化に着目すると、大きく3つに分類される。第一のグループは、Ｖｆ＝0.7, 1.4, 2.1ｍ／ｓの3条件における、振動励起の有無によらず火炎が層流火炎となる場合である。第二のグループは、Ｖｆ＝2.8, 4.2ｍ／ｓの2条件でみられた、振動励起により層流火炎が乱流火炎へと遷移する場合である。そして、第三のグループは、Ｖｆ＝5.6, 7.0ｍ／ｓの2条件で振動励起の有無によらず火炎が乱流火炎となる場合である。
【００５５】
以下に、計測条件を分類した図１２におけるグループa ~ cの場合について、それぞれ振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について結果と考察を示す。
【００５６】
先ず、図１２で分類したグループaの条件の結果について述べる。これは、振動励起の有無に係わらず層流火炎が形成された条件であり、ケース1〜３の3条件を含んでいる。図１３〜図１５に、それぞれケース1，ケース2，ケース3において、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。浮き上がり高さＨは内側ノズル出口直径ｄで無次元化しており、吹き飛び限界（B.O.）は矢印とともに図中に示した。また、各条件において、2対ずつ火炎の写真を示した。図中の上部にある写真が振動励起を与えない通常の状態における火炎であり、下部に示した写真が振動励起後の火炎となっている。
【００５７】
3つの条件に共通していることは、振動励起によって概ね浮き上がり高さが低下している点である。この時、火炎写真から振動励起を行うと火炎端が非対称に傾いた構造となることがわかる。各図中に示した矢印（ａ）よりも設定空気流速が低い条件に注目すると、振動励起により火炎がバーナ１へ再付着を生じていることがわかる。再付着を生じるか否かは、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さが振動面１１ａ（直径15mm）の上端の高さであるＨ／ｄ=7.5付近を境に変化している。
【００５８】
つまり、火炎基部が振動励起範囲内部にある場合は火炎が再付着してしまうことがわかる。矢印（ａ）よりも設定空気流速が高く、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さがＨ／ｄ＞7.5となる場合では、振動励起によって浮き上がり高さが若干上昇する。その後、振動励起の有無による浮き上がり高さの大小関係は逆転し、Ｖａの増加とともに振動励起による浮き上がり高さの低下が著しくなっていく。そして、最終的に吹き飛び限界も大きく改善しており、振動励起によって吹き飛びが生じづらい火炎状態となっていることがわかる。よって、ケース1~3における浮き上がり火炎は、振動励起によって安定化がされるという結果が得られた。ただし、条件によっては火炎の再付着を生じる場合もあることは留意すべき点である。
【００５９】
次に、図１２で分類したグループbの条件の結果について述べる。これは、振動励起によって層流火炎から乱流火炎への遷移がみられた条件であり、ケース4，ケース5の2条件を含んでいる。図１６，１７に、それぞれケース4，ケース5において、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。また、浮き上がり高さの変動がみられた条件については、その最大値と最小値をエラーバーとして示した。
【００６０】
グループbにおける振動励起を行わない場合の浮き上がり高さの増加の様子は、その増加率は異なるもののグループaの結果と概ね一致している。これは、いずれも層流火炎における結果であるので、浮き上がり高さの決定因子には大きな違いがないからであると考えられる。また、振動励起によって浮き上がり高さが低下するという点についても、グループaの場合と同じである。しかし、グループbで振動励起を行った場合の浮き上がり高さの増加の様子は層流火炎と異なる。空気出口流速が上昇すると、図中に矢印（ｂ）でそれぞれ示した流速を境に乱流火炎への遷移することが確認された。
【００６１】
図１６及び図１７の右側に示した振動励起した火炎の写真から火炎端で火炎面が乱れていることがわかる。また実験中に、火炎の形状や長さが非定常に変動することや、燃焼音が発生することも確認された。これは、振動励起によって流れ場の不安定性を助長され、流れ場の乱れに応じて火炎が乱流化した結果であると推測される。火炎の乱流遷移に伴って、浮き上がり高さが不連続に増加する現象がみられた。この浮き上がり高さの急激な増加は、特にケース5の結果において顕著となっている。
【００６２】
そして、矢印（ｂ）の遷移点を境にして、浮き上がり高さの上昇の様子も変化していることがわかる。空気出口流速に対する浮き上がり高さの増加率は、振動励起を行わない場合の層流火炎における増加率よりも小さくなっている。また、吹き飛び限界における空気出口流速は、振動励起を行った場合でも、行わない場合と同等もしくは若干の低下がみられる。この傾向は、吹き飛び限界の拡大がみられたグループaの場合とは異なるものである。ただし、層流火炎と乱流火炎では、浮き上がり高さの決定する因子や吹き飛びに至る要因は異なることが考えられ、それらを一概に比較できるものではない。また、図中に点線で示した吹き飛び限界直前の各条件においては、振動励起により火炎が吹き消えを生じる現象も確認された。グループbにおいては、浮き上がり高さが非常に高くなるために、そのような火炎は上流における流れ場の変動に対して非常に敏感になってしまうことが原因であると考えられる。特に、今回はステップ的に電圧の印加を開始したので、流れ場の急激な変動が生じたと推測できる。
【００６３】
次に、図１２で分類したグループcの条件の結果について述べる。これは、振動励起の有無によらず乱流火炎の状態が確認された条件であり、ケース6，ケース7の2条件を含んでいる。図１８，１９に、それぞれケース6，ケース7について、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。また、浮き上がり高さの変動がみられた条件については、その最大値と最小値をエラーバーとして示した。
【００６４】
振動励起の有無にかかわらず、上述したような乱流火炎への遷移が生じた。図中の矢印（ｂ）より空気出口流速が大きな範囲では、乱流浮き上がり火炎が観測された。ケース6については、振動励起時の乱流火炎への遷移が、振動励起を行わない場合に比べて低い空気出口流速の条件で生じている。一方で、ケース7では遷移点は同じ空気流速を境に生じている。矢印（ｂ）で示した遷移点よりも空気出口流速が大きな範囲では、振動励起の有無にかかわらず乱流火炎として存在するため、空気出口流速の増加に対する浮き上がり高さが増加傾向には大きな変化がない。振動励起によって生じる浮き上がり高さの変化は、ケース6では振動励起により浮き上がり高さの低下がみられるのに対して、ケース7ではほぼ変化していない。
【００６５】
さらに、グループa及びグループbの条件と比較しても、振動励起により浮き上がり高さが低下する効果は小さい。しかしながら、それぞれ図中の右側に示した火炎写真をみると、火炎基部の幅が拡大していることがわかる。これにより、浮き上がり高さにおける変化は小さくとも、火炎端の位置において可燃範囲内の混合割合まで至っている混合気が分布する幅が増大したと考えられる。このことから、振動励起により混合の促進がなされたことが考えられる。一方で、吹き飛び限界については、吹き飛びが生じる浮き上がり高さ、及び吹き飛び時の空気出口流速に大きな差はないことがわかる。
【００６６】
以上のことを踏まえて、振動励起による浮き上がり火炎に対する影響を様々な流速設定条件について調べた結果として3つの点がわかった。第一に、層流火炎においては振動励起によって火炎の浮き上がり高さの低下、及び吹き飛び限界の拡大などが確認され、浮き上がり火炎の安定性が向上する。第二に、振動励起により火炎は乱流化を促進される。これは、火炎の乱流化、及び乱流火炎における火炎端幅の増大が生じたことによるもので、振動励起によって噴流の乱流化を促進することが可能であることが考えられる。第三として、火炎の状態によっては、振動励起によりバーナへの再付着あるいは吹き消えなどの現象が生じるなど安定な燃焼を妨げる効果もある。
【００６７】
次に、浮き上がり領域における流れ場の状態を可視化するために、流れ場に非接触レーザ計測手法であるアセトンPLIF法を用いて噴流の可視化を行った結果について述べる。
今回、噴流の可視化を行うにあたって、6つの計測条件を設定した。これらは図１２で示したグループa, b, cのそれぞれから2条件ずつ選定したものであり、その詳細を図２０に示す。これらの条件での浮き上がり高さは、図１４、図１７、図１８においてそれぞれ対応するデータ点を図示した。
【００６８】
図２１にバーナと振動励起システムの配置、及びレーザシート光の照射方向について示す。振動面１１ａの方向は画像における左側、つまりバーナ座標系におけるｘ軸方向の負となる方向に設置した。また、振動面１１ａと反射面１４ａの中心同士を結ぶ軸は、レーザシート光の照射方向と一致させて計測を行った。
【００６９】
まず、定常な層流火炎が形成されるケース2-i及びケース2-iiの結果について述べる。図２２及び図２３にケース2-i，ケース2-iiの条件における計測結果を示す。振動励起を与えない状態の噴流のみの画像（図中a）を基準として、振動励起を行った場合の噴流のみの画像(図中b)と火炎を形成させた画像(図中c)の3つについて示す。これらの条件においては、ほぼ定常な流れ場及び火炎が形成されたので、平均画像についてのみ示す。どちらの条件についても、振動励起を行わない場合には、バーナ中心軸上に対称な噴流が形成されている。その一方で、振動励起を行った場合は、噴流が振動面側に引き寄せられるように流れの向きが曲げられている様子がわかる。また、火炎もそれに応じて火炎端が非対称に変形している。このような流れの向きの変化は、上述で述べた火炎が振動面側に引き寄せられる現象の要因であると考えられる。また、2つの条件を比較すると火炎の浮き上がり高さの違いはあるものの、噴流の偏向の度合いはそれほど変化がない。よって、浮き上がり高さの変化については、外側ノズルの流速の違いが主な原因であると考えられる。
【００７０】
次に、層流火炎から乱流火炎への遷移がみられたケース5-iii，ケース5-ivの結果について示す。先ず、図２４及び図２５にケース5-iii，ケース5-ivの条件における噴流のみの計測結果を示す。振動励起を行わない状態の平均画像(図中ａ)、振動励起を行った場合の平均画像(図中ｂ)、振動励起を行わない場合の瞬間画像（図中ｃ）、振動励起を行った場合の瞬間画像（図中ｄ）である。図中ａ及び図中ｂの平均画像を比較すると、振動励起を行った場合は振動励起を行わない場合に比べて、噴流幅の拡がりが生じていることがわかる。また、噴流中心における蛍光輝度を比較すると、振動励起を行った場合の方が下流へ向けて著しく低下していく傾向にある。本実施例では、レーザシートにおける高さ方向の強度補正は行っていないため、同じ高さにおける輝度同士についてのみ定量的に比較可能である。振動励起を行った場合と行わない場合で同じ高さの輝度を比較すると、振動励起を行った場合において輝度がより小さくなっている。
【００７１】
このことから、振動励起により燃料と空気の速やかな混合がなされていると考えられる。これは、図中ｄの瞬間画像において、振動励起を行わない図中ｃにはみられない渦構造が確認されることから、渦による混合促進の結果であると考える。ケース2-i及びケース2-iiで確認された噴流が振動面側に曲げられる現象は、図中ｂの平均画像から僅かながら噴流が振動面側（ｘ軸負の方向）へ曲がっていることがわかる。しかしながら、前述の2条件の場合と比べて同じ高さにおける噴流中心とバーナ中心軸とのずれは、非常に小さくなっている。これは、ケース5-iii及びケース5-ivはより燃料出口流速が大きな条件であり、振動励起領域（ｙ=15mmまで）におけるメタン噴流の滞留時間が小さいことや、メタンの初期運動量が大きいことなどが原因として挙げられる。ケース5-iii及びケース5-ivにおける混合の度合いを比較すると、同じ高さにおいてほぼ同等の蛍光輝度となっており、両者に大きな差は認められない。
【００７２】
図２６に、ケース5-iii，ケース5-ivにおいて浮き上がり火炎を形成させた場合の計測結果について示す。全て瞬間画像となっており、浮き上がり火炎の最上流端における火炎面を黒線で示した。ただし、ケース5-ivの振動励起を行わない場合（図中ｃ）については、火炎が計測領域よりも高い位置に存在するため、火炎面を表示していない。この結果より、振動励起による流れ場の乱流化、及びそれに伴う混合促進により火炎形状や浮き上がり高さの変化が確認できる。
【００７３】
そして、振動の有無にかかわらず乱流火炎が形成されたケース6-v，ケース6-viの結果について述べる。図２７及び図２８に、ケース6-v，ケース6-viの条件における計測結果を示す。振動励起を行わない状態の平均画像(図中a)、振動励起を行った場合の平均画像(図中b)、振動励起を行わない場合の瞬間画像（図中c）、振動励起を行った場合の瞬間画像（図中d）である。各条件での瞬間画像から、振動励起の有無にかかわらずメタン噴流に渦構造が生じていることがわかる。一方で、平均画像を比較すると、噴流幅は振動励起を行った場合の方が拡大していることがわかる。また、同じ高さにおける噴流中心の蛍光輝度を比較しても、振動励起を行った場合の方が小さくなっており、振動励起により混合が促進されていると考えられる。振動励起を行った場合に生じる噴流が振動面側に曲げられる現象は、明確に確認できるほどではなかった。
【００７４】
図２９に、ケース6-v及びケース6-viにおける火炎を形成した場合の瞬間画像を比較して示す。それぞれ振動励起を行わない場合と行った場合の結果について示した。ぞれぞれの画像上において、火炎端における火炎面を黒線で図示した。振動励起によって混合が促進され、火炎がより上流に移動している様子が分かる。また、噴流幅の拡大に伴って火炎基部の幅も広がっている様子がわかる。
【００７５】
上述では、振動励起によって噴流が曲げられる現象が確認された。この現象は噴流の中心が定在波における節と腹の間の領域に位置する場合に生じ、噴流は圧力の腹側へ曲げられる。次に、どのような要因によって噴流が曲げられる方向が決定されるか、その決定因子について以下に示す。
【００７６】
物体の超音波浮遊の実験例において、空気中で水や油などの液滴、及び発泡スチロール製の球体などの固体を浮遊させている。この場合は、物体は圧力の節に保持されるのが一般的である。しかし、本実施例では、噴流は圧力の腹側に向かうように偏向されるため、これらの結果とは逆の現象が生じている。ここで、メタンの気体密度は0.717kg/m3であり、空気に対する比重は0.555である。物体の空中浮遊で用いられる液体や固体は、多くの場合周囲気体（空気）よりも密度が高いと考えられ、本実施例における密度の関係は逆となっている。そこで、周囲流と中心流の密度差によって、噴流がどちらに偏向されるかが決定されると考えられ、以下に実証実験の結果を示す。
【００７７】
本実験では、密度の異なる気体として、アルゴンを用いている。アルゴンの気体密度は1.784kg/m3であり、空気に対する比重は1.38である。これまで通り、メタンを用いて行った噴流の可視化を、中心噴流にメタンの代わりにアルゴンを使用して同様に噴流の可視化を試みた。実験条件は、上述におけるケース2-iの条件を採用し、その他の設定条件も一致させている。
図３０に、メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果について示す。4つの画像全ては、それぞれ100枚分の画像の平均値である。振動励起を行った場合の結果である図３０中（ｂ）と（ｄ）より、振動励起による流れの偏向方向が逆転している様子がわかる。即ち、メタン噴流は振動面側へ、アルゴン噴流は反射面側へ偏向している。今回の実験におけるバーナと振動励起システムの位置関係では、それぞれ振動面側が圧力の腹側、反射面側が圧力の節の方向に相当する。つまり、周囲気体よりも密度の低い気体は腹側へ、密度の高い気体は節側へ引き寄せられるような作用があるということがわかった。アルゴンの結果は、超音波浮遊の実験例における周囲気体よりも密度の高い物体は超音波定在波中の圧力の節に保持されるという結果と同様の傾向を示している。
【００７８】
以上のことから、流れの偏向は中心噴流の気体と周囲気体の密度差によって生じ、その方向は周囲気体との密度の大小によって左右されることがわかった。
【００７９】
層流浮き上がり火炎においては、浮き上がり高さの低下や吹き飛び限界の向上などの効果がみられた。この条件においては、メタン噴流が偏向される作用が、噴流の可視化によって確認された。これは、噴流中心が定在波における腹と節の中心付近に設置することで得られる効果であることがわかった。その偏向方向は周囲気体との密度差によって生じ、定在波の圧力の腹側へ引き寄せられるということが、密度の異なる気体を用いた噴流の可視化結果より確かめられた。このような完全に非接触な手法により流動を変化させることが気体流体においても可能であることが確認された。
【００８０】
振動励起によって浮き上がり噴流火炎が層流火炎から乱流火炎へと遷移する現象も確認された。これは、噴流の可視化により、振動励起によって流れ場の乱流化が促進され、その結果、火炎が流れの乱れに応じて乱流火炎へと遷移したことがわかった。さらに、振動励起なしで乱流化した火炎においても振動励起によって浮き上がり高さの低下及び火炎基部の幅の拡大が確認された。これは、振動励起によって噴流の乱流化が促進され、燃料と酸化剤の混合がより促進がなされるからであることが、可視化結果から確認された。
【００８１】
噴流バーナ出口において流れ場へ振動励起を行うことで、2つの作用が得られることがアセトンPLIF法による噴流の可視化によって確認された。第一の作用は、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置することで、噴流が偏向される作用である。第二の作用は、振動励起により噴流の乱流化を助長し、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用である。
【００８２】
上記した第一の作用及び第二の作用により、浮き上がり噴流拡散火炎において火炎の定在位置や火炎形状の変化が生じた。層流浮き上がり火炎では、浮き上がり高さの低下及び吹き飛び限界の拡大など火炎の安定性向上や輝炎の減少などの効果があった。また、流れ場の乱流化促進効果に伴い、層流火炎から乱流火炎への遷移とそれに伴う火炎形状の変化、及び乱流火炎における浮き上がり高さの低下や火炎基部の幅が拡大するという効果がみられた。
【００８３】
流れの偏向作用は、周囲噴流と中心噴流の気体の密度差によって生じることがわかった。周囲気体よりも密度が小さい気体の場合は定在波における圧力の腹側へ、周囲気体よりも密度が大きな気体の場合は圧力の節側へ、それぞれ偏向方向が決まることがわかった。また、噴流が曲げられる度合いは、中心噴流の初期流速が小さい条件においてより大きな偏向がみられたことから、振動励起領域における滞留時間や噴流の運動量などの影響で決定される。
【００８４】
上述した実施例における実験により得られた噴流型燃焼器の火炎制御方法及び火炎制御装置の特徴と効果を以下に示す。
【００８５】
噴流型燃焼器の火炎制御方法において、火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことで、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
【００８６】
また、噴流型燃焼器の火炎制御方法において、振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることで、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子が、火炎上流の流れ場ないしは混合場であることが判明し、この部分を振動励起で制御することにより、最適な制御が可能となる。
【００８７】
更に、噴流型燃焼器の火炎制御方法において、火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することで、燃料系の密度の選択により、容易に火炎の偏向方向制御が可能となる。
【００８８】
噴流型燃焼器の火炎制御装置において、火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことで、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
【００８９】
また、噴流型燃焼器の火炎制御装置において、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることで、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置させることで、噴流が偏向される作用に優れ、かつ振動励起により噴流の乱流化を助長でき、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用を効果的に得ることが出来る。
【００９０】
以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。
【００９１】
例えば、上記実施例では、火炎の流れ場に与える振動励起のシステムとして、振動子に接続された振動面及び反射面を配置して、振動子により起振された所定の周波数を火炎の流れ場に与えているが、振動励起のシステムについては、必ずしも本実施例に限られず、火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うものであれば、例えば起振される周波数も高周波でなく低周波であってもよいし、また反射面を特段に設けずに、起振面若しくは起振部のみが設けられていてもよい。
【００９２】
また、上記実施例では、燃料としてメタン、酸化剤として乾燥空気を用いているが、燃料若しくは酸化剤の種類は、必ずしも本実施例に限られず、周知の代替材料であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００９３】
【図１】噴流型燃焼器に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図である。
【図２】バーナ上で形成される浮き上がり噴流火炎の写真及びバーナの一部断面図である。
【図３】燃料流速と空気流速の条件による噴流火炎の基本特性を示す図である。
【図４】代表的な火炎についての写真である。
【図５】振動励起システム全体の概念図である。
【図６】高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真である。
【図７】振動面と反射面との間の定在波を示す図である。
【図８】火炎の浮上がり高さの定義とバーナからの火炎のずれの定義を示す図である。
【図９】各計測における流速設定条件を示す図である。
【図１０】（ａ）は、ケースAにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）と同じく写真である。
【図１１】（ａ）は、ケースBにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）と同じく写真である。
【図１２】振動励起による浮上がり高さの変化について計測条件を分類した表である。
【図１３】Ｖｆ＝0.7ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１４】Ｖｆ＝1.4ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１５】Ｖｆ＝2.1ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１６】Ｖｆ＝2.8ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１７】Ｖｆ＝4.2ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１８】Ｖｆ＝5.6ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図１９】Ｖｆ＝7.0ｍ／ｓにおける浮上がり高さについて示す図である。
【図２０】アセトンPLIF法について計測条件を分類した表である。
【図２１】振動励起システムの配置、レーザシート光の照射方向を示す図である。
【図２２】ケース2-iにおける計測結果を示す図である。
【図２３】ケース2-iiにおける計測結果を示す図である。
【図２４】ケース5-iiiにおける計測結果を示す図である。
【図２５】ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。
【図２６】ケース5-iii，ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。
【図２７】ケース6-vにおける計測結果を示す図である。
【図２８】ケース6-viにおける計測結果を示す図である。
【図２９】ケース6-v及びケース6-viにおける計測結果を示す図である。
【図３０】メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００９４】
１                バーナ
１ａ              内側整流部
１ｂ              金属メッシュ
１ｃ              内側ノズル
１ｄ              外側整流部
１ｅ              外側ノズル
２                ガスボンベ
３                調圧器
４                電子式流量計
５                流量調節器
６ａ、６ｂ        開閉弁
７                ガスボンベ
８                調圧器
９                電子式流量計
１０              振動子
１１              伝達用ホーン
１１ａ            振動面
１２              駆動電源
１３              ファンクションジェネレータ
１４              反射体
１４ａ            反射面
１５              開閉弁
１６              アセトン添加部
１７              開閉弁
１８              流量調節器
２０              火炎制御装置
【図１】
2008281314.tif 000008
【図３】
2008281314.tif 000009
【図５】
2008281314.tif 000010
【図７】
2008281314.tif 000011
【図８】
2008281314.tif 000012
【図９】
2008281314.tif 000013
【図１２】
2008281314.tif 000014
【図２０】
2008281314.tif 000015
【図２１】
2008281314.tif 000016
【図２】
2008281314.tif 000017
【図４】
2008281314.tif 000018
【図６】
2008281314.tif 000019
【図１０】
2008281314.tif 000020
【図１１】
2008281314.tif 000021
【図１３】
2008281314.tif 000022
【図１４】
2008281314.tif 000023
【図１５】
2008281314.tif 000024
【図１６】
2008281314.tif 000025
【図１７】
2008281314.tif 000026
【図１８】
2008281314.tif 000027
【図１９】
2008281314.tif 000028
【図２２】
2008281314.tif 000029
【図２３】
2008281314.tif 000030
【図２４】
2008281314.tif 000031
【図２５】
2008281314.tif 000032
【図２６】
2008281314.tif 000033
【図２７】
2008281314.tif 000034
【図２８】
2008281314.tif 000035
【図２９】
2008281314.tif 000036
【図３０】
2008281314.tif 000037