(57)【要約】  火炎吹消え状態を判定するためのシステムおよび方法が開示される。これらの方法は、様々な燃焼システムについて希薄吹消え状態を判定するための効率的で信頼できるツールを提供する。保炎領域内の局所的特性を使用することによって、ユーザは、燃焼器内の火炎吹消えの可能性を細粒度で評価することができる。火炎吹消えの判定は、燃焼器領域内のおそらく吹消え状態のセルの輪郭を提供する出力表現を用いて実施することができる。
2012518775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼器内の火炎吹消え状態を判定するための方法であって、
前記燃焼器内の領域から複数のセルを選択することと、
前記複数のセルのそれぞれに関連する詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を取得することと、
前記ダムケラー数に関連付けられた出力表現を提供することと、
前記出力表現に従って火炎吹消え状態を判定することと、を含む方法。
【請求項２】
前記セルのうちの１つまたは複数がサンプリング方法に従って選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
考慮すべきセルの最大値が、ユーザによって定義されたパラメータである、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記セルのうちの少なくとも１つが、前記燃焼器内の火炎帯および前炎帯のうちの少なくとも１つから選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記火炎帯および前炎帯がユーザによって定義される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記火炎帯および前炎帯が、数値流体力学（ＣＦＤ）計算に従って決定される、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記ダムケラー数のそれぞれが、化学時間を、各セルに関連付けられた滞留時間で割ることにより得られる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記滞留時間が、セルに関連付けられた平均流滞留時間値または乱流滞留時間スケール値のうちの少なくとも１つに従って選択される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記滞留時間が、前記平均流滞留時間値および前記乱流時間スケール値のうちの最小値になるように選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記平均流滞留時間値が、前記セルの体積を、前記セルに関連付けられたクロスフロー面積で割ることによって得られる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記乱流滞留時間スケール値が、前記セルに関連付けられた乱流運動エネルギーおよび散逸関数に従って得られる、請求項８に記載の方法。
【請求項１２】
前記化学時間が、顕在エンタルピーの変化を、前記セルに関連付けられた熱発生速度で割ることにより得られる、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記判定が、臨界ダムケラー数に従って行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記臨界ダムケラー数が１である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記臨界ダムケラー数が、ユーザによって定義された値である、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記出力表現が、各セルに関連付けられたダムケラー数の輪郭を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
前記出力表現が、臨界ダムケラー数より大きいダムケラー数を有するセルを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記出力表現が、セルレベル粒度での火炎吹消え生成に関連付けられた尤度測定を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記出力表現が、滞留時間および化学時間を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記出力表現が、前記領域内の火炎安定性を査定するために使用される、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
コンピュータ読取り可能媒体に実装されたコンピュータプログラム製品であって、
燃焼器内の領域から複数のセルを選択するためのコンピュータコードと、
前記複数のセルのそれぞれに関連付けられた詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を取得するためのコンピュータコードと、
前記ダムケラー数に関連付けられた出力表現を提供するためのコンピュータコードと、
前記出力表現に従って火炎吹消え状態を判定するためのコンピュータコードとを含む、コンピュータプログラム製品。
【請求項２２】
燃焼器内の火炎吹消え状態を判定するためのシステムであって、
前記燃焼器内のおそらく保炎状態である領域を示す情報を受け取る手段と、
前記領域から複数のセルを選択する手段と、
前記複数のセルのそれぞれに関連付けられた詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を得る手段と、
前記ダムケラー数に関連付けられた出力表現を提供する手段と、
前記出力表現に従って火炎吹消え状態を判定する手段とを含むシステム。
【発明の詳細な説明】
【関連特許出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、参照により本明細書にその全体が組み込まれる、２００９年２月２５日に出願された米国仮出願第６１／１５５，４４１号の優先権を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、燃焼システムに関する。詳細には、本発明は、燃焼システム内の正確な火炎吹消え判定を提供するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
この節は、特許請求の範囲に記載される本発明の背景または内容を提供することを意図している。本明細書における説明は、追求され得るが、必ずしも以前に考えられ追求されたものとは限らない概念を含み得る。したがって、本明細書に特段に示されていない限り、この節で述べられることは、本出願の説明および特許請求の範囲より以前の技術ではなく、またこの節に含まれることにより従来技術と認められるものではない。
【０００４】
燃焼システムの設計は、複雑な幾何学的形状、乱流のパターン、伝熱および複雑な燃焼関連化学など、いくつかの要因についての詳細な知識および解決策を必要とする複雑なプロセスである。安全で効率的な燃焼システムを設計するには、燃料過程の様々な側面を正確に監視し制御することが極めて重要である。具体的には、環境汚染物質の監視および予測は、現代の燃焼器の設計において非常に重要になっている。これらの汚染物質は、窒素酸化物（ＮＯｘ：ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｏｘｉｄｅ）、一酸化炭素（ＣＯ：ｃａｒｂｏｎ  ｍｏｎｏｘｉｄｅ）、二酸化炭素（ＣＯ２：ｃａｒｂｏｎ  ｄｉｏｘｉｄｅ）および未燃炭化水素（ＵＨＣ：ｕｎｂｕｒｎｅｄ  ｈｙｄｒｏｃａｒｂｏｎ）を含むことがあり、厳しい環境排出規制の対象である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの現代のガスタービン燃焼器によって採用された、ＮＯｘ、ＣＯ、ＣＯ２、ＵＨＣおよび他の汚染物質の排出を抑える戦略のうちの１つは、厳しく制御された燃料／空気比で作動することである。具体的には、非常に燃料希薄な予混合火炎（すなわち乾燥低排出技術）を用いたシステムがしばしば使用される。こうしたシステムの目標は、希薄吹消え（ＬＢＯ：Ｌｅａｎ  Ｂｌｏｗ−Ｏｆｆ）限界を下回ることなしに予混合火炎をできるだけ希薄にすることである。ＬＢＯは、それを超えると燃料／空気混合気がもはや燃焼しない点である。したがって、ＬＢＯ限界の近くで作動するように望むことは、火炎が不安定となり、または消えるという不所望の結果とバランスが保たれなければならない。実際、燃料希薄予混合火炎は、その周囲の環境に対して敏感であり、したがって、ＬＢＯ状態を予測し監視するには、環境および燃料組成の変化を効率的かつ正確に査定できることが有利である。さらに、「機会」燃料の人気が高まるにつれて、エンジン設計者は、様々な燃焼エンジンに関連する操作性、効率および排出に対する代替燃料の影響を検証することが日常的に求められることがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の方法およびシステムは、幅広い燃焼システムにおける火炎吹消え状態を正確かつ確実に判定することを可能にする。本発明の一態様は、燃焼器内の火炎吹消え状態を判定するための方法であって、燃焼器内の領域から複数のセルを選択するステップと、複数のセルのそれぞれに関連する詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を取得するステップと、ダムケラー数に関連する出力表現を提供するステップと、出力表現に従って火炎吹消え状態を判定するステップとを含む方法に関する。
【０００７】
本明細書では、「判定」は、確認、計算、演算処理、測定、知覚および／またはその組合せを指し得る。判定は、特定のパラメータおよび／または状態の有無を査定するために実施されてよい。たとえば、判定は、火炎吹消え状態の有無を査定するために実施されてよい。
【０００８】
本明細書では、「火炎吹消え」は、燃焼システムの静的な不安定性限界を指し、また火炎吹消えは、それを超えると燃焼器内の指定された位置に火炎が留まらなくなる限界を指し得る。
【０００９】
本明細書では、「燃焼器」は、燃料／酸化剤の混合物の燃焼が行われるコンポーネント、領域またはチャンバを指し得る。燃焼器は、燃焼する燃料／空気混合気を抑制し制御するように設計されており、たとえば、ガスタービン、ラムジェットまたはパルスジェットエンジンの一部であってよい。
【００１０】
本明細書では、「選択」は、燃焼器の領域から１つまたは複数のセルを手動または自動で選択することを指し得る。選択は、ユーザによって、ユーザの裁量で行われることも、選択基準に基づいて行われることもある。さらに、または別法として、選択は、ソフトウェア、ハードウェアまたはファームウェアコンポーネントによって自動的に行われてよい。選択はさらに、乱数または疑似乱数の選択プロセスを提供するサンプリング法に従って、かつ／または一様確率、ガウス確率分布など、事前定義された確率分布に従って実施される。
【００１１】
本明細書では、「セル」は、燃焼器の領域内の要素を指す。セルは、たとえば、約１立方ミリメートルから１立方センチメートルに等しい量を表してよい。燃焼器の領域は、火炎吹消え状態の判定を可能にするのに必要なほどの多くのまたは数個のセルを含んでよい。
【００１２】
本明細書では、「領域」は、燃焼器の面積または体積を指し得る。領域は、複数のセルを含んでよい。燃焼器は、ユーザによって選択され、かつ／またはソフトウェア、ハードウェアあるいはファームウェアコンポーネントによって自動的に選択される１つまたは複数の領域を含んでよい。
【００１３】
本明細書では、「ダムケラー数」は、化学反応タイムスケールを、燃焼システム内で生じる他の現象に関連付けるのに使用される無次元数を指す。それは、ドイツの化学者Ｇｅｒｈａｒｄ  Ｄａｍｋｏｈｌｅｒ、１９０８年〜１９４４年にちなんで名付けられている。たとえば、ダムケラー数は、燃焼器の特定の領域の条件下で起きる燃焼関連の化学反応に必要な時間を表す化学反応時間（ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｋｉｎｅｔｉｃ  ｔｉｍｅ）と、その特定の領域内に流れる気体分子が留まる平均時間を表す滞留時間との比を表すことができる。
【００１４】
本明細書では、「詳細燃焼化学」は、熱、または熱と光の両方の生成に付随する、燃料と酸化剤の間の複雑な化学反応シーケンスを指す。
【００１５】
本明細書では、「詳細流動力学」は、流れる物質の複雑な力学を指す。詳細流動力学は、たとえば、数値流体力学（ＣＦＤ：Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｆｌｕｉｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ）を使用して決定することができ、この数値流体力学は、数値法およびアルゴリズムを使用して、ガスまたは流体の流れを伴う問題を解決し解析する。こうした解析を行う際、コンピュータを使用して、流体およびガスの燃焼器の複雑な表面との相互作用をシミュレートするのに必要な何百万もの計算を実施することができる。
【００１６】
本明細書では、「出力表現」は、ユーザが知覚可能な出力を指すことができ、たとえば火炎吹消え状態を査定するために使用されてよい。たとえば、出力表現は、複数の２次元または３次元のプロット、輪郭または図を含んでよい。出力表現は、１つまたは複数のパラメータ、ならびにこうしたパラメータに関連する値の範囲を識別することを可能にするように色分けされることも、また別のやり方で構造化されることもある。こうしたパラメータは、たとえば、ダムケラー数、臨界ダムケラー数、および／または火炎吹消え状態の生成に関連する確率を含んでよい。出力表現は、コンピュータモニタやテレビなど、電子表示装置に示されてもよいし、紙などの媒体に印刷されてもよい。出力表現はさらに、読取り専用メモリ（ＲＯＭ：Ｒｅａｄ  Ｏｎｌｙ  Ｍｅｍｏｒｙ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ：Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）、コンパクトディスク（ＣＤ：ｃｏｍｐａｃｔ  ｄｉｓｃ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ：ｄｉｇｉｔａｌ  ｖｅｒｓａｔｉｌｅ  ｄｉｓｃ）など、有形のコンピュータ読取り可能媒体に格納されてよい。
【００１７】
本発明の一実施形態によれば、セルのうちの１つまたは複数が、サンプリング方法に従って選択され、また別の実施形態では、考慮すべきセルの最大値は、ユーザによって定義されたパラメータである。
【００１８】
本明細書では、「サンプリング」は、１つまたは複数のサンプルの選択を指し、それは、サンプルの一部またはすべてを選択することを含んでよい。サンプリングは、ユーザによって手作業で行われてもよいし、ソフトウェア、ハードウェアまたはファームウェアコンポーネントを使用して自動的に行われてもよい。サンプリングは、統計的定義に従って、かつ／または一様確率、ガウスの確率分布など、サンプリング確率分布に従って行われよい。サンプリングはさらに、サンプルの乱数または疑似乱数選択をもたらし得る。別法として、またはさらに、サンプリングは、ユーザの裁量に基づいて、かつ／または特定の基準に従って実施してもよい。
【００１９】
本発明の別の実施形態によれば、セルのうちの少なくとも１つが、前記燃焼器内の火炎帯および前炎帯のうちの少なくとも１つから選択される。
【００２０】
本明細書では、「火炎帯」は、火炎が滞留し得る燃焼器の領域を指す。
【００２１】
本明細書では、「前炎帯」は、火炎帯の前に、またはその下流に位置する燃焼器の領域を指し得る。前炎帯は、たとえば、火炎帯よりも、燃料および／または酸化剤の入口に近い位置に位置することがある。
【００２２】
一実施形態では、火炎帯および前炎帯は、ユーザによって定義され、別の実施形態では、火炎帯および前炎帯は、数値流体力学（ＣＦＤ）計算に従って決定される。
【００２３】
本明細書では、「数値流体力学」は、数値法およびアルゴリズムを使用して、ガスまたは流体の流れを伴う問題を解決し解析することを指す。こうした解析を行う際、コンピュータを使用して、流体およびガスの燃焼器の複雑な表面との相互作用をシミュレートするのに必要な何百万もの計算を実施することができる。
【００２４】
一実施形態では、ダムケラー数はそれぞれ、化学時間を、各セルに関連する滞留時間で割ることにより得られる。別の実施形態では、滞留時間は、セルに関連する平均流滞留時間値または乱流時間スケール値のうちの少なくとも１つに従って選択される。
【００２５】
本明細書では、「平均流滞留時間値」は、流れ滞留時間に関連する数学的平均または平均値を指す。たとえば、平均流滞留時間値は、セルの長さを混合流の平均速度の大きさで割ることによって得ることができる。
【００２６】
本明細書では、「乱流時間スケール値」は、乱流が考慮に入れられる場合に得られる流れ時間スケールの値を指す。乱流時間スケール値は、たとえば、ＣＦＤ計算から得ることができる。
【００２７】
本明細書では、「乱流」または「乱流の」は、無秩序で確率的な特性の変化によって特徴付けられる流体の状態を指し得る。これは、低い運動量拡散、高い運動量対流、および時空間の圧力および速度の迅速な変化を含んでよい。乱流は、多くの異なる長さスケールの渦の形成を引き起こすことがある。渦は、流体またはガス／流体混合物の渦巻き、および流体が障害物を通過して流れるときにもたらされる逆流と呼ばれることがある。移動する流体によって、物体の下流側に、下流に流れる流体が無い空間が作られ得る。障害物の後ろの流体は空所に流れ、障害物の各端に流体の渦がもたらされ、その後に、障害物の背部で流体の短い逆流が、障害物の後ろに向かって上流に流れる。
【００２８】
別の実施形態では、滞留時間は、平均流滞留時間値および乱流時間スケール値のうちの最小値になるように選択される。本発明の別の実施形態では、平均流滞留値は、セルの体積を、セルに関連するクロスフロー面積で割ることによって得られる。
【００２９】
本明細書では、「クロスフロー面積」は、流れることができる面積を指し得る。たとえば、クロスフロー面積は、燃焼器の領域内のセルに関連する最小流量面積を含んでよい。
【００３０】
別の実施形態では、乱流滞留時間スケール値は、セルに関連する乱流運動エネルギーおよび散逸関数に従って得られる。
【００３１】
本明細書では、「乱流運動エネルギー」は、乱流内の渦に関連する単位質量当たりの平均運動エネルギーを指し得る。運動エネルギーは、物体の動きに起因する物体のエネルギーであり、静止からその現在の速度まで所与の質量の物体を加速するのに必要な仕事量として定義することができる。
【００３２】
本明細書では、「散逸関数」は、セルに関連する乱流散逸を指し得る。Ｋ−イプシロンモデルは、最も一般的な乱流モデルのうちの１つである。第１の変数Ｋは、乱流運動エネルギーであり、第２の変数イプシロンは、乱流散逸である。たとえば、イプシロンは、乱流のスケールを決定することができ、Ｋは、乱流内のエネルギーを決定することができる。
【００３３】
別の実施形態では、化学時間は、顕在エンタルピー（ｓｅｎｓｉｂｌｅ  ｅｎｔｈａｌｐｙ）の変化を、セルに関連する熱発生速度で割ることにより得られる。
【００３４】
本明細書では、「顕在エンタルピー」は、流体、ガスまたはその混合物をある温度の状態から別の温度の状態にするのに必要なエネルギーを指し得る。たとえば、顕在エンタルピーは、２５℃である流体の温度を別の温度Ｔに変化させるのに必要なエネルギーとして計算することができる。
【００３５】
本明細書では、「熱発生速度」は、熱が放出される速度を指す。たとえば、熱発生速度は、ジュール／秒、またはワットとして表現され、計算され、測定されてよい。
【００３６】
本発明の別の実施形態によれば、判定は、臨界ダムケラー数に従って行われる。一実施形態では、臨界ダムケラー数は１であり、別の実施形態では、臨界ダムケラー数は、ユーザによって定義された値である。
【００３７】
本明細書では、「臨界ダムケラー数」は、特別に重要なダムケラー数に関連する値を指し得る。たとえば、臨界ダムケラー数は、火炎吹消え状態の発生を表し得る。
【００３８】
別の実施形態によれば、出力表現は、各セルに関連するダムケラー数の輪郭を含む。
【００３９】
本明細書では、「輪郭」は、数または値の２次元または３次元マップ上の定数値の点を指し得る。輪郭は、等しい値の点を結合するマップ上の等高線、またはマップを構成するこうした線の集まりを指すこともある。等高線は、マップ上の曲線または直線であってよい。輪郭の構成によって、観測者は、パラメータの相対的な勾配を推論し、特定の場所でそのパラメータを推測することができる。
【００４０】
別の実施形態では、出力表現は、臨界ダムケラー数より大きいダムケラー数を有するセルを含む。さらに別の実施形態では、出力表現は、火炎吹消えを生成することに関連する、セルレベル粒度での尤度測定を含む。
【００４１】
本明細書では、「尤度測定」は、値または発生に関連する確率または統計量を指し得る。尤度測定は、たとえば、結果が発生する可能性がどの程度か定量化することができる。尤度測定は、離散値またはオプションによって表すことができる。たとえば、尤度測定は、０もしくは１（または「いいえ」もしくは「はい」）であってもよいし、高値と低値の間の任意の離散値または定量化可能値であってよい。尤度測定は、連続した範囲の値またはオプションを含むこともできる。尤度測定は、他のパラメータおよび／または変数の関数として表現することもできる。
【００４２】
本発明の別の実施形態では、出力表現は、滞留時間および化学時間を含み、さらに別の実施形態では、出力表現は、領域内の火炎安定性を査定するために使用される。
【００４３】
本明細書では、「火炎安定性」は、火炎が安定しており、かつ／または持続可能である程度を指し得る。火炎安定性は、たとえば、燃焼器の領域内のセルに関連するダムケラー数を検査することによって査定することができる。
【００４４】
本発明の別の態様は、コンピュータ読取り可能媒体内に具現化されたコンピュータプログラム製品であって、燃焼器内の領域から複数のセルを選択するためのコンピュータコードと、複数のセルのそれぞれに関連する詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を取得するためのコンピュータコードと、ダムケラー数に関連する出力表現を提供するためのコンピュータコードと、出力表現に従って火炎吹消え状態を判定するためのコンピュータコードとを含むコンピュータプログラム製品に関する。
【００４５】
本明細書では、「コンピュータプログラム製品」は、それだけに限らないが、スタンドアロン環境またはネットワーク化された環境内でコンピュータによって実行されるプログラムコードなど、コンピュータ実行可能命令を含むコンピュータプログラムを指し得る。
【００４６】
本明細書では、「コンピュータ読取り可能媒体」は、コンピュータを使用してアクセス（たとえば読出し、書込み、修正または消去）できる情報および／または命令を運ぶように適応された非一時的かつ非伝送可能な媒体を指し得る。コンピュータ読取り可能媒体は、それだけに限らないが、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などを含めて、取外し可能および取出し不可能な記憶装置を含んでよい。
【００４７】
本明細書では、「プログラムコード」は、独立に実行可能であることも、より大きいプログラムモジュールの一部であることも、複数のプログラムモジュールを含むこともあるコンピュータ実行可能命令を指し得る。プログラムモジュールは、特定のタスクを実施し、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造体などを含んでよい。コンピュータ実行可能命令、関連するデータ構造体、およびプログラムモジュールは、プログラムコードの例を表す。
【００４８】
本発明の別の態様では、燃焼器内の火炎吹消え状態を判定するためのシステムであって、燃焼器内のおそらく保炎状態である領域を示す情報を受け取るステップと、領域から複数のセルを選択するステップと、複数のセルのそれぞれに関連する詳細燃焼化学および詳細流動力学に従って複数のダムケラー数を取得するステップと、ダムケラー数に関連する出力表現を提供するステップと、出力表現に従って火炎吹消え状態を判定するステップとを含むシステムが開示される。
【００４９】
本発明の様々な実施形態のこれら他の利点および特徴は、その構成および操作の仕方と共に、添付の図面と併せて考慮されるとき、以下の詳細な説明から明らかになろう。
【００５０】
本発明の実施形態について、添付の図面の参照することによって述べられる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の例示的な一実施形態によるブロック図である。
【図２】本発明の例示的な一実施形態によるブロック図である。
【図３】本発明の例示的な一実施形態によるダムケラー数を表すプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
以下の記述では、限定のためではなく、説明目的により、本発明についての完全な理解を促すために詳細および説明が示されている。しかし、本発明は、これらの詳細および説明から逸脱する他の実施形態で実施されてもよいことが当業者には明らかであろう。
【００５３】
吹消えは、燃焼システムの静的な不安定性限界を指し、また吹消えは、それを超えると燃焼器内の指定された位置に火炎が留まらなくなる限界を指す。吹消えは、反応によって生じた熱が、燃料／空気混合気の流れを点火するのにもはや十分でない場合にしばしば生じる。制御されない燃焼システムでは、燃焼は、化学反応時間が典型的には動的混合時間より遥かに速いので、燃焼器内に生じる混合の程度によって制限される。しかし、火炎温度が下がるにつれて、化学反応時間は、それが制限要因となり、潜在的には火炎吹消え状態になる点にまで遅くなる。火炎吹消えの査定は、数式（１）で表される無次元のダムケラー数（Ｄａ）を使用して行うことができる。
【数１】
2012518775.tif 000003
数式（１）で、τｃｈｅｍは、化学反応時間であり、特定の領域の条件の下で燃焼関連の化学反応が起きるのに必要な時間を表し、τｒｅｓは、流れるガス分子がその特定の領域内に滞留する平均時間を表す滞留時間である。したがって、ダムケラー数は、関心領域の火炎の物理特性を表す。たとえば、１に近いダムケラー数は、火炎吹消え状態に近い領域を示す。化学時間が滞留時間より長い場合（すなわちＤａが１より大きい場合）は、未燃の燃料／空気混合気がそれが点火する機会を得る前に領域から離れる傾向があるので、吹消えが生じる可能性が高くなる。ダムケラー数は、吹消え傾向に対する燃料変化の影響を合理的に捕らえることが分かっている。しかし、臨界ダムケラー数は、燃焼器の構成によって異なることがある。
【００５４】
ダムケラー数の使用に付随する主な課題は、様々な燃焼器領域に関連する適切な化学時間および滞留時間を識別することである。予混合層流火炎の化学時間を計算するための一方法は、数式（２）を使用して行うことができる。
【数２】
2012518775.tif 000004
ただし、ＳＬおよびαは、層流火炎速度および混合物の温度拡散率を表す。「拡散率」および「熱伝導率」は互いに比例しており、したがって、２つの実体のいずれかを数式（２）で使用して、化学時間を評価できることに留意されたい。数式（２）によって、単一の入口および一様の燃料／酸化剤混合物を有する燃焼器に関連する化学時間について合理的な推定がもたらされるが、それは、非一様の入口当量比を有する燃焼器、またはそれぞれ異なる燃料組成を有するいくつかの入口を備えた燃焼器にはあまり適さないことがある。滞留時間を計算するための現在の方法は同様に、現代の燃焼器内の流れ機構を過度に単純化する傾向がある。
【００５５】
火炎吹消え状態のより正確な査定を行うには、吹消えが本質的に局所的な現象であるので、流れ場と燃焼システムの化学の両方の詳細な解析を考慮に入れなければならない。本発明の一実施形態によれば、ダムケラー数を正確かつ確実に決定するための方法が、燃料混合物の流れ特性および熱化学特性、ならびに詳細な燃焼力学を局所的に使用することによって行われる。したがって、全体的な化学時間および滞留時間を見つけ使用しようとするのではなく、これらの値が局所的に取得し適用され、したがって、実用的な燃焼システムに関連する平均流特性、乱流特性、および燃料混合特性の空間的変化について明らかにする。
【００５６】
本発明の様々な実施形態による方法およびシステムは、個々のセルにわたって行われる計算流体力学（ＣＦＤ：ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  ｆｌｕｉｄ  ｄｙｎａｍｉｃｓ）解析を使用し、この計算流体力学は、燃焼挙動を正確に推定するために、詳細燃焼化学計算と組み合わされる。火炎吹消え状態が乱流効果に非常に敏感であるので、本発明の様々な実施形態による方法は、各セルにわたって行われたＣＦＤ計算からの乱流パラメータを容易に使用することができる。さらに、燃焼器流れ場のほとんどにとっては吹消えが問題になる可能性は低いので、吹消え判定は有利には、燃料安定化領域に、またある程度、燃料／空気の入口に向かう前炎領域に制限されてよい。
【００５７】
図１は、本発明の例示的な一実施形態による火炎吹消え状態の決定のブロック図を示している。火炎吹消え判定は、燃焼器の保炎領域の燃焼帯から「熱い」ＣＦＤセルを選択することにより開始される（ステップ１００）。例示的な一実施形態では、ゾーンは、５００万から１０００万のセルを含んでよく、したがって、燃焼器の規模に応じてセルは、ほぼ１立方ミリメートルから１立方センチメートルに等しい体積を表し得る。選択された熱いまたは燃焼しているセルは、たとえば、渦分解モデル、火炎片モデル、また一段階高速化学モデルなど、簡略化学（ｒｅｄｕｃｅｄ  ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）、混合燃焼型燃焼モデルを使用して得ることができる。これらの各方法では、化学表現の正確さが激しく損われる。たとえば、火炎片ＣＦＤモデルは、燃焼に関連する流体力学と化学を切り離すことによってモデルを単純化する。したがって、燃焼器に関連する複雑な流体力学計算は保持されるが、化学は別に計算され、化学を流体力学に結び付けるすべての特性は典型的に、ルックアップテーブルを介して格納され、取り出される。このように、計算に必要な時間が減少される。しかし、こうした手法によって予測された化学情報の正確さも、大幅に減少される。他の方法は、化学表現をさらにより徹底的に単純化する。一段階または多段階（典型的には２段〜８段）簡略化学モデルは、素反応段階も、火炎の安定化、または点火が起こるかどうかの決定に関与する極微量ラジカル種も含まない。したがって、それらは、火炎安定性の現象を予測することができない。混合燃焼モデルは、どんな力学効果をも完全に無視して、燃料と酸化剤の間の乱流混合の程度だけで火炎が存在するかどうか決定すると仮定する点で、さらに単純である。上述のモデルに従って最初に選択される燃焼セルは、選択された帯域内の実態を正確に表さないことがあるが、しかし、予測された火炎帯は、燃焼器内に安定した希薄火炎が実際に存在するならば火炎が安定するであろう近似領域に対応する。したがって、開始点としてこうしたシミュレーションを使用することは合理的である。詳細化学の解法を使用する後続の火炎吹消え解析によって、指定された領域内で理想的な火炎が存続し得るかどうか最終的に明らかになる。簡略化学ＣＦＤ手法は、火炎帯に入る新鮮な燃料／空気混合気の速度、温度および組成の合理的な推定を提供し、それは、火炎吹消え、詳細化学シミュレーションに必要なすべてのものである。
【００５８】
火炎帯の識別は、事前定義された、かつ／またはユーザによって定義された「火炎」の定義に従って遂行することができる。火炎の定義は、たとえば、温度、温度勾配のＣＦＤ予測による局所セル値（すなわち温度が幾何学的座標に対して変化している局所的な率）、燃料／酸化剤／燃焼生成物質量分率（すなわち、燃料／酸化剤／またはＣＯ２、Ｈ２Ｏなど他の化学種のセル局所質量ベースの分率濃度）、または混合分率／進捗値に従って、ＣＦＤ解法から導出することができる。混合分率は、燃料の流れから生じた素質量分率として定義される。それは、局所（セル）燃料質量分率と総入口酸化剤質量分率の差を、総燃料入口質量分率と総入口酸化剤質量分率の差で割った比率として計算される場合が多い。燃料混合分率は、ＣＦＤシミュレーションにおいて燃焼の範囲を追跡するのに使用される一般的なパラメータである。さらに、燃料を表す化学種、ならびに主な流れ方向に最もよく合った軸についての知識が必要である。例示的な一実施形態では、「風上の」火炎は、次の特性のうちの１つまたは複数を共有するセルを含むものとして定義することができる：セルの速度ベクトルに対して非常に負の温度勾配、セル速度ベクトルに対して非常に正の燃料勾配、ならびに支配的な流れの方向に合った軸を選択することによって定義された、燃焼器の幾何学的形状の最初の５０％（すなわち、燃焼器の「風上」半分、または入口に最も近く、排気口から最も遠い燃焼器の半分）内にある位置。別の例示的な実施形態では、「風下の」火炎は、次の特性のうちの１つまたは複数を共有するセルを含むものとして定義することができる：セルの速度ベクトルに対して非常に正の温度勾配、セル速度ベクトルに対して非常に負の燃料勾配、ならびに支配的な流れの方向に合った軸を選択することによって定義された、燃焼器の幾何学的形状の最初の５０％内にある位置。さらに別の例示的な実施形態では、風上と風下の両方の火炎タイプの特性を単一の火炎に組み合わせる「風上／風下」火炎を定義してよい。さらに、または別法として、ユーザは、上述の条件および／または追加の基準の組合せを使用して火炎を定義するユーザ自身の方法を定義可能であってよい。
【００５９】
図１を再び参照して述べると、初期の熱いセルを選択すると、選択されたセルの流れ滞留時間が決定され得る（ステップ１０２）。この決定は、たとえば、２つの異なる流体力学過程に従って行うことができる。一方法では、平均流滞留時間が、たとえばセルの長さを（セルの中心の）平均速度の大きさで割ることによって定義することができる。速度値は、セルに関連するＣＦＤ結果から得ることができ、セル長は、たとえば、セル体積を、セルに関連するクロスフロー面積で割ることによって得ることができる。乱流に関する別の方法では、滞留時間は、ＣＦＤ解法から得られる、乱流運動エネルギーｋ、および散逸関数εから、大きい渦ターンオーバ時間値またはスカラー混合時間値として得ることができる。渦ターンオーバ時間およびスカラー混合時間値は、ＣＦＤシミュレーションで使用されている乱流モデルに依存するＣＦＤ計算された乱流パラメータに関連する時間スケールである。渦ターンオーバ時間は、たとえば長手方向の積分長スケールを乱流運動エネルギーの平方根で割った値として通常定義される（たとえば、Ｒｏｄｎｅｙ  Ｏ．  Ｆｏｘ、「Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ  Ｍｏｄｅｌｓ  ｆｏｒ  Ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ  Ｒｅａｃｔｉｎｇ  Ｆｌｏｗｓ」、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ、２００３年、３８頁参照）。ｋおよびεの値もまた、セルに関連するＣＦＤ結果から得られる。例示的な一実施形態では、上記方法の両方よる滞留時間が取得され、セルの特徴的な流れ滞留時間が、２つの値のうちの小さい方となるように選択される。別の例示的な実施形態では、両方の値が、火炎吹消え状態の計算のために保持され実施されてよい。こうしたシナリオでは、それぞれが異なる滞留時間取得方法に関連している、吹消え状態の２つの選択肢がユーザに提示されてよい。
【００６０】
図１のステップ１０４で示されたように、次のステップは、選択されたセルの化学時間を決定することを伴う。本発明の例示的な一実施形態による化学時間決定のブロック図が、図２にさらに示されている。まず、選択されたセルに対して１組の定常状態の断熱計算が行われ（ステップ２００）、セルに入ってくるすべての正味流量が明らかになる。セルは、およそ攪拌反応器として扱うことができ、この攪拌反応器ではエネルギーと質量の平衡方程式が、ＣＦＤ流れ解法から得られた情報に基づいて、セルを通る質量の何らかの正味の流れを用いて解かれる。ステップ２００は、最も好ましい熱／質量輸送シナリオ（すなわち火炎安定性に好ましい）の下でセルの詳細熱化学状態を決定するために行われる。ステップ２００が完了すると、詳細ガス組成および「真の」セル温度が、詳細燃焼動力学を用いた定常状態セル計算から得られる。ステップ２０２で、平均熱発生速度
【数３】
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が、詳細化学シミュレーションから結果として生じる化学種組成および温度を使用して得られる。ステップ２０４で、詳細化学状態と完全燃焼状態の間の顕在エンタルピー差、ｄｅｌｔａ＿Ｈが計算され、セルに適した化学時間を決定するために使用される（ステップ２０４）。化学時間の計算は、数式（３）に従って行うことができる。
【数４】
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ただし、
【数５】
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は、熱発生速度であり、ΔＨｍｉｘｔｕｒｅは、定常状態計算用の顕在エンタルピーの変化である。「顕在エンタルピー」は、流体、ガスまたはその混合物をある温度状態から別の温度状態にするのに必要なエネルギーを指し得る。たとえば、顕在エンタルピーは、２５℃の流体の温度を別の温度Ｔに変化させるのに必要なエネルギーとして計算することができる。顕在エンタルピーの変化は、使用可能な燃料酸化剤の完全燃焼と、セル計算から得られた現在の定常状態ガス混合物の間の顕在エンタルピーの差である。顕在エンタルピーの変化は、組成変化におけるある１組の分子から別の１組の分子への化学変換に関連するどんなエンタルピーをも除いた、ガスの組成物をある温度から別の温度にすることに関連するエンタルピーとまさに定義される。もう一方で、熱発生速度は、化学反応速度に起因するエンタルピー放出を表す。熱発生速度は、熱が放出される速度を指す。たとえば、熱発生速度は、ジュール／秒、またはワットと表現され、計算され、測定されてよい。セルが化学的に不活性である（すなわち、熱発生速度がおよそ０である）とき、τｃｈｅｍが非常に大きくなり（すなわち、無限大に近づき）、したがって、関連する大きいダムケラー数に対処して、それを適切に解釈するのに注意を払わなければならないことに留意されたい。
【００６１】
再び図１を参照すると、化学時間の決定は、滞留時間の決定後に行われることが示されていることに留意されたい。しかし、これらのステップは、同時に行われもよいし、逆の順序で行われてもよいことが理解されよう。滞留時間および化学時間が得られると、セルに関連するダムケラー数が、数式（１）に従って計算されてよい（ステップ１０６）。次に、類似の計算について、追加のセルを考慮すべきかどうか決定される（ステップ１０８）。答えがはいである場合は、次のセルが選択され（ステップ１１２）、新しく選択されたセルについてステップ１０２から１０８が繰り返される。例示的な一実施形態では、考慮すべきセルの数は、ユーザによって定義されたパラメータであってよい。したがって、たとえば、ステップ１０２から１０８を含むループの各反復では、カウンタが、処理されるセルの総数を追跡してよい。別の例示的な実施形態では、選択された火炎を含むすべてのセルが解析されてよい。十分な数のセルが処理されると、ダムケラー数に対応する出力表現が生成されてよい（ステップ１１０）。
【００６２】
本発明の例示的な一実施形態によれば、次のセルの選択（ステップ１１２）は、適切なサンプリング方法に従って遂行されてよい。サンプリング技法は、指定された区域（たとえば火炎帯または前炎帯）内のあらゆるセルを処理すること、またはユーザによって指定されるあらゆるセルを処理することを単に含んでよい。別法として、セル選択プロセスは、関心のある特定のゾーン内のセルのサブセットをサンプリングすることを含んでよい。サンプリングは、選択されたサンプルが（その数と位置の両方で）、関心領域の有効な表現を提供することを保証する適切な統計サンプリング技法に従って実施されてよい。例示的な一実施形態では、帯域内のセルのランダムサンプリングが行われてよい。
【００６３】
図１のステップ１０６に従って得られたダムケラー数は、目標とされた帯域内の１つまたは複数の位置の火炎吹消え状態の可能性を査定するために使用することができる。この目的のために、臨界Ｄａ値が、火炎吹消えの発生を指定するために定義されてよい。たとえば、この臨界値は、滞留時間と化学時間が等しい状態を表す１に設定されてよい。しかし、臨界Ｄａ値は、詳細燃焼化学または実験観察から得られた結果に従って異なる値に設定されてよい。
【００６４】
図１のステップ１１０で生じた出力結果は、個々のセルに関連する表形式の値や、２次元または３次元プロットに提示された局所ダムケラー数の輪郭など、計算されたダムケラー数の表現を含んでよい。ある例示的な出力表現では、個々のセルは、それらのダムケラー数に従って、それぞれ異なる色（または色合い）を使用して表すことができる。出力結果はさらに、計算されたＤａ値と臨界Ｄａ値の比較に基づいて提示されてよい。たとえば、ある表現は、ＬＢＯが生じる可能性が高くなる場所を指定する、臨界Ｄａ値より大きいダムケラー数を有するセルだけを含んでよい。さらに、または別法として、出力表現は、ＬＢＯ閾値条件を満たし、または満たさないセルを指定する、セルレベル粒度を有する（たとえば線形または対数目盛の）バイナリ表示を含んでよい。別の例示的な出力表現では、セル滞留時間および化学時間などの追加のパラメータが、出力表現の一部として生成されてよい。ダムケラー数の無い位置もまた、処理対象に選択されなかったセルを指定するためにタグ付けされてよい。
【００６５】
ダムケラー数の分布、位置およびトポロジ、ならびに関連パラメータを検査することによって、火炎核の位置、火炎の保全性、および吹消えの可能性をセルレベルの粒度で評価することができる。たとえば、安定した火炎は、火炎帯の周囲に主として位置する吹消えセルを含んでよい。したがって、ＬＢＯ出力表現が火炎核内のかなりの数の吹消えセルを示す場合、火炎は、その希薄吹消え限界に、またはその近くにあると見なすことができる。図３は、ダムケラー数の空間分布および値を示す例示的な３次元図である。図３をよく見ると、火炎吹消えの近く（すなわち１に近いダムケラー数）、ならびに吹消えの可能性が高くなる区域（すなわち１より大きいダムケラー数）、および可能性がより低くなる区域（すなわち１未満のダムケラー数）が生じるセルの位置および分布が明らかになる。
【００６６】
本明細書に述べられた様々な実施形態について、方法ステップまたはプロセスの一般的な文脈で述べられているが、これらの方法ステップまたはプロセスは、一実施形態では、ネットワーク化された環境でコンピュータによって実行されるプログラムコードなど、コンピュータ実行可能命令を含めて、コンピュータ読取り可能媒体内に具現化されたコンピュータプログラム製品によって実施することができる。コンピュータ読取り可能媒体は、それだけに限らないが、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などを含めて、取外し可能および取外し不可能の記憶装置を含んでよい。一般に、プログラムモジュールは、特定のタスクを実施し、または特定の抽象データ型を実装するルーチン、プログラム、オブジェクト、コンポーネント、データ構造体などを含んでよい。コンピュータ実行可能命令、関連するデータ構造体およびプログラムモジュールは、本明細書に開示された諸方法のステップを実行するためのプログラムコードの例を表している。こうした実行可能命令または関連するデータ構造体の特定のシーケンスは、こうしたステップまたはプロセスに述べられた諸機能を実施する対応する行為の例を表している。
【００６７】
実施形態についての上記の記述は、例示および説明のために提示されている。上記説明は、網羅的なものでも、本発明の実施形態を開示された厳密な形に制限するためのものではなく、修正および変形が、上記教示に鑑みて可能であり、または様々な実施形態を実施することから得られてよい。本明細書に論じられた諸実施形態は、当業者が本発明を様々な実施形態で、また企図される特定の用途に適する様々な修正を加えて使用できるように、様々な実施形態の原理および本質、ならびにその実用的な応用例について説明するために選択され説明されている。本明細書に述べられた諸実施形態の特徴は、方法、装置、モジュール、システムおよびコンピュータプログラム製品のあらゆる可能な組合せで組み合わせることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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