〈一般研究課題〉 数値解析を用いた火災旋風の発生および発展機構の解明
助 成 研 究 者

名城大学

武藤昌也

数値解析を用いた火災旋風の発生および発展機構の解明
武藤 昌也（名城大学）

Numerical analysis of fire whirl development process in cross flow
Masaya MUTO
(Meijo University)

Abstract：
Development process of fire whirls that occur behind a fuel pool fire were investigated using
numerical simulation. In this study, large-eddy simulation employing a flamelet/progress-variableapproach is applied to combustion process of fire whirl. Kerosene is used as fuel and pool size is
1.5 m × 0.6 m. The cross-flow velocity ranged from 0.6 to 2.5 m/s. As a result of simulation, it
was found that characteristics of present fire whirl agree with the previous experimentqualitatively. By varying the speed of the uniform flow, changes of flame containing in the fire
whirl and the surrounding flow field are investigated.

１．はじめに地震時や強風時に発生する市街地火災では，火災の規模や風の強さなどの要因により，火災旋風が発生する可能性がある．災害に強く安全な生活環境を構築するには，防災計画はもとより，現状の市街地においてもこのような火災旋風の発生を未然に予測し，被害を最小に抑えることが重要であると考えられる．火災旋風の発生，発展の機構においては火災旋風が生じる周囲の流れ場，火災旋風内部における可燃物の燃焼率，火炎高さといった情報が重要となる．しかしながら現状では，実験室規模であっても，火災旋風発生装置を用いた火炎高さなどの実験的な相関式などが提案されているが，周囲の流れ場まで含めた計測例は少なく(1)，数値解析においては現象を簡単化した解析－ 103 －

にとどまり(2)，火災旋風の基礎的な発生，発展機構の解明はいまだ十分に行われてはいないと考えられる．
近年，国土交通省が所管する国土技術政策総合研究所により，市街地における火災旋風の数値予測に関する共同研究の募集(3)が行われており，本研究のような基礎的な機構の解明による知見が，市街地のような大規模スケールでの火災旋風発生予測に寄与することは極めて重要な課題と考えら測に関する共同研究の募集(3)が行われており，本研究のような基礎的な機構の解明による知見が，れる．
市街地のような大規模スケールでの火災旋風発生予測に寄与することは極めて重要な課題と考え
本研究では数値シミュレーションを用いて火災旋風の再現を試み，周囲の流れ場と干渉しつつ発られる．

本研究では数値シミュレーションを用いて火災旋風の再現を試み，周囲の流れ場と干渉しつつ発展する機構を詳細に調べることを目的とする．
展する機構を詳細に調べることを目的とする．
2．解析対象および計算方法

2. 解析対象および計算方法
有風下の火炎旋風の可視化を行った室内実験(4)を参照実験として，灯油を燃料とした火炎旋風燃(4)
有風下の火炎旋風の可視化を行った室内実験
を参照実験として，灯油を燃料とした火炎旋風燃焼場を対象にLarge-EddySimulation（LES）を適用して燃焼解析を実施し，火炎旋風および火炎周焼場を対象にLarge-Eddy Simulation（LES）を適用して燃焼解析を実施し，火炎旋風および火炎周辺の流れ場の解析を実施する．
辺の流れ場の解析を実施する．
2.1 解析対象・解析格子(4)2.1 本研究では，有風下の火炎旋風の可視化を行った室内実験
解析対象・解析格子を解析対象とする．図2-1に実験装(4)(4)
本研究では，有風下の火炎旋風の可視化を行った室内実験を解析対象とする．図2-1 に実験装置の概要を示す．燃料であるレギュラーガソリンが内寸 594mm× 1,485 mmの鉄製容器（図中(4)置の概要を示す．燃料であるレギュラーガソリンが内寸594 mm×1,485mmflow）の鉄製容器（図中Pools）に入れられ，形成された火炎は0.9m/sから1.5 m/sの横風（図中Crossにさらされる．
Pools）に入れられ，形成された火炎は 0.9 m/s から 1.5 m/s の横風（図中Cross flow）にさらされる．
図2-2には解析格子形状を示す．参照実験と同じ大きさの燃料流入口（図中Pool）から蒸発した灯油

図2-2 には解析格子形状を示す．参照実験と同じ大きさの燃料流入口（図中Pool）から蒸発した灯を燃料として流入させ，形成された火炎は0.6m/s，もしくは2.5 m/sの一様流（図中Cross flow）に油を燃料として流入させ，形成された火炎は0.6 m/s，もしくは 2.5 m/s の一様流（図中 Cross flow）さらされるものとした．図2-2において，一様流の方向，奥行き方向，鉛直方向をそれぞれx，y，zにさらされるものとした．図2-2 において，一様流の方向，奥行き方向，鉛直方向をそれぞれ x，方向とする．計算格子の節点数は4,734,704点，セル数は4,649,400である．
y，z 方向とする．計算格子の節点数は 4,734,704 点，セル数は 4,649,400 である．

横風（Cross flow）

y
図2-1
Experimental
setup
図 2-1
Experimental
setup(Shinohara and Matsushima, 2014(4))

zx

燃料流入口（Pool）

図2-2
calculation
domain
図 2-2Present
Present
calculation
domain(Shinohara and Matsushima, 2014(4))

2.2 解析対象・解析格子
流れ場については，ゼロマッハ数近似した非圧縮性流体をLESにより解析する．乱流モデルには
2.2 解析対象・解析格子
標準Smagorinskyモデルを用いる．支配方程式は，以下に示す質量，運動量，エンタルピ，混合分率，流れ場については，ゼロマッハ数近似した非圧縮性流体をLESにより解析する．乱流モデルにおよび反応進行変数の保存式である(5-7)．
は標準Smagorinskyモデルを用いる．支配方程式は，以下に示す質量，運動量，エンタルピ，混合�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�) = 0,+ ∇ ∙ (𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌(1)𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
分率，および反応進行変数の保存式である(5-7)．
�𝒖𝒖𝒖𝒖�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝒖𝒖𝒖𝒖�) = −∇𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 + ∇𝝈𝝈𝝈𝝈+ ∇ ∙ (𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌𝝈 + ∇ ∙ 𝝉𝝉𝝉𝝉,(2)𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�
�ℎ𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝑍𝑍𝑍𝑍�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�ℎ ∇ℎ�� + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒ℎ ,�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌+ ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌�𝒖𝒖𝒖𝒖

�𝑍𝑍𝑍𝑍 ∇𝑍𝑍𝑍𝑍�� + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒𝑍𝑍𝑍𝑍 ,�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌+ ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌� 𝒖𝒖𝒖𝒖

(3)

－ 104 －(4)2.2 解析対象・解析格子
流れ場については，ゼロマッハ数近似した非圧縮性流体をLESにより解析する．乱流モデルには標準Smagorinskyモデルを用いる．支配方程式は，以下に示す質量，運動量，エンタルピ，混合分率，および反応進行変数の保存式である(5-7)．
�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�) = 0,+ ∇ ∙ (𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝒖𝒖𝒖𝒖�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕��ℎ𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝑍𝑍𝑍𝑍�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕�𝒖𝒖𝒖𝒖�) = −∇𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 + ∇𝝈𝝈𝝈𝝈+ ∇ ∙ (𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌𝝈 + ∇ ∙ 𝝉𝝉𝝉𝝉,�ℎ ∇ℎ�� + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒ℎ ,�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌+ ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌�𝒖𝒖𝒖𝒖
�𝑍𝑍𝑍𝑍 ∇𝑍𝑍𝑍𝑍�� + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒𝑍𝑍𝑍𝑍 ,�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌+ ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌� 𝒖𝒖𝒖𝒖




(1)
⑴
⑵
(2)

(3)
⑶

(4)
⑷

�𝐶𝐶𝐶𝐶̃𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
�𝜔 𝐶𝐶𝐶𝐶 ,�𝐶𝐶𝐶𝐶 ∇𝐶𝐶𝐶𝐶̃ � + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝜔𝜔𝜔𝜔�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌
�𝐶𝐶𝐶𝐶̃ + ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌̃ 𝒖𝒖𝒖𝒖𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
�𝜔 𝐶𝐶𝐶𝐶 ,�𝐶𝐶𝐶𝐶 ∇𝐶𝐶𝐶𝐶̃ � + ∇ ∙ 𝒒𝒒𝒒𝒒𝐶𝐶𝐶𝐶 + 𝜔𝜔𝜔𝜔𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 + ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌̃ 𝒖𝒖𝒖𝒖
�� = ∇ ∙ �𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕

⑸
(5)
(5)

2
ここで，𝜌𝜌𝜌𝜌は密度，𝒖𝒖𝒖𝒖は速度ベクトル，𝑝𝑝𝑝𝑝は圧力，ℎはエンタルピ，𝑍𝑍𝑍𝑍は混合分率，𝐶𝐶𝐶𝐶は反応進行変数
ここで，ρは密度，uは速度ベクトル，pは圧力，hはエンタルピ，Zは混合分率，Cは反応進行変数
ここで，𝜌𝜌𝜌𝜌は密度，𝒖𝒖𝒖𝒖は速度ベクトル，𝑝𝑝𝑝𝑝は圧力，ℎはエンタルピ，𝑍𝑍𝑍𝑍は混合分率，𝐶𝐶𝐶𝐶は反応進行変数（progress variable），𝜔𝜔𝜔𝜔𝜔C は𝐶𝐶𝐶𝐶の生成項である．なお，本計算では𝐶𝐶𝐶𝐶をCO，CO2，H2Oの質量分率の和，（progress variable）
variable），𝜔𝜔𝜔𝜔
𝜔 Ċ は𝐶𝐶𝐶𝐶の生成項である．なお，本計算では𝐶𝐶𝐶𝐶をCO，CO（progress，ωCはCの生成項である．なお，本計算ではCをCO，CO2，H2Oの質量分率の和，2，H2 Oの質量分率のすなわち𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑌𝑌𝑌𝑌CO + 𝑌𝑌𝑌𝑌CO2 + 𝑌𝑌𝑌𝑌H2 O と定義する．𝑌𝑌𝑌𝑌𝑘𝑘𝑘𝑘 は化学種𝑘𝑘𝑘𝑘の質量分率である．𝝈𝝈𝝈𝝈は応力テンソル，𝜏𝜏𝜏𝜏はすなわち𝐶𝐶𝐶𝐶 = 𝑌𝑌𝑌𝑌CO +CO𝑌𝑌𝑌𝑌+Y+ 𝑌𝑌𝑌𝑌 2と定義する．Y和，すなわちC＝Ykは化学種kの質量分率である．σは応力テンソル，τ
COCOO と定義する．𝑌𝑌𝑌𝑌
𝑘𝑘𝑘𝑘 は化学種𝑘𝑘𝑘𝑘の質量分率である．𝝈𝝈𝝈𝝈は応力テンソル，𝜏𝜏𝜏𝜏は2 +YHHO
応力テンソルのSGS成分である．𝐷𝐷𝐷𝐷ℎ ，𝐷𝐷𝐷𝐷𝑍𝑍𝑍𝑍 ，および𝐷𝐷𝐷𝐷𝐶𝐶𝐶𝐶 はそれぞれエンタルピ，混合分率，および反応応力テンソルのSGS成分である．𝐷𝐷𝐷𝐷ℎ ，𝐷𝐷𝐷𝐷
は応力テンソルのSGS成分である．Dh，DZ，およびD
Cはそれぞれエンタルピ，混合分率，および𝑍𝑍𝑍𝑍 ，および𝐷𝐷𝐷𝐷
𝐶𝐶𝐶𝐶 はそれぞれエンタルピ，混合分率，および反応進行変数の拡散係数であり，Lewis数（= 𝛼𝛼𝛼𝛼⁄𝛼𝛼𝛼𝛼 ）を1と仮定して𝜆𝜆𝜆𝜆⁄𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝑝𝑝𝑝𝑝 で与える．ここで，𝛼𝛼𝛼𝛼は熱拡散⁄𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝜆𝑝𝑝𝑝𝑝 で与える．ここで，𝛼𝛼𝛼𝛼は熱拡散進行変数の拡散係数であり，Lewis数（=（=α/D）
𝛼𝛼𝛼𝛼⁄𝛼𝛼𝛼𝛼 ）を1と仮定して𝜆𝜆𝜆𝜆反応進行変数の拡散係数であり，Lewis数を1と仮定してλ/ρcpで与える．ここで，αは熱率，𝜆𝜆𝜆𝜆は熱伝導率，𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝 は定圧比熱である．𝒒𝒒𝒒𝒒ℎ ，𝒒𝒒𝒒𝒒𝑍𝑍𝑍𝑍 ，および𝒒𝒒𝒒𝒒𝐶𝐶𝐶𝐶 はそれぞれエンタルピ，混合分率，お率，𝜆𝜆𝜆𝜆は熱伝導率，𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝 は定圧比熱である．𝒒𝒒𝒒𝒒，および𝒒𝒒𝒒𝒒ℎ ，𝒒𝒒𝒒𝒒h𝑍𝑍𝑍𝑍，q𝐶𝐶𝐶𝐶 はそれぞれエンタルピ，混合分率，お拡散率，λは熱伝導率，cpは定圧比熱である．qZ，およびqCはそれぞれエンタルピ，混合分率，よび反応進行変数のSGS成分である．
よび反応進行変数のSGS成分である．
および反応進行変数のSGS成分である．
また，燃焼反応モデルとして，多化学種の多段反応を比較的低い計算負荷で考慮することが可能
また，燃焼反応モデルとして，多化学種の多段反応を比較的低い計算負荷で考慮することが可能
また，燃焼反応モデルとして，多化学種の多段反応を比較的低い計算負荷で考慮することが可能
なFlamelet法の一種であるFlamelet/progress-variable（FPV）法を用いる．FPV法では，火炎片中の物なFlamelet法の一種であるFlamelet/progress-variable（FPV）法を用いる．FPV法では，火炎片中の物なFlamelet法の一種であるFlamelet/progress-variable（FPV）法を用いる．FPV法では，火炎片中
理量が燃料混合分率Zおよび反応進行変数Cにより表すことができるという関係から，以下に示すZ
理量が燃料混合分率Zおよび反応進行変数Cにより表すことができるという関係から，以下に示すZの物理量が燃料混合分率Zおよび反応進行変数Cにより表すことができるという関係から，以下に空間におけるFlamelet方程式により，様々なスカラ消散率χのもとで得られた火炎片データを，Z-C空間におけるFlamelet方程式により，様々なスカラ消散率χのもとで得られた火炎片データを，Z-C示すZ空間におけるFlamelet方程式により，様々なスカラ消散率χのもとで得られた火炎片データ空間に変換することでFlameletライブラリを作成し，ZおよびCを参照パラメータとして化学種kの空間に変換することでFlameletライブラリを作成し，ZおよびCを参照パラメータとして化学種kのを，Z-C空間に変換することでFlameletライブラリを作成し，ZおよびCを参照パラメータとして化
質量分率Yk，およびCの反応率𝜔𝜔𝜔𝜔𝐶𝐶𝐶𝐶̇ を抽出する．本研究では燃料を灯油(8,9)
としてFlameletライブラリ
質量分率Yk，およびCの反応率𝜔𝜔𝜔𝜔𝐶𝐶𝐶𝐶̇ を抽出する．本研究では燃料を灯油(8,9)としてFlameletライブラリ
学種kの質量分率Ẏ Cを抽出する．本研究では燃料を灯油(8,9)としてFlameletライ
k，およびCの反応率ωを作成した．
を作成した．
ブラリを作成した．
22𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜕𝜕𝜕𝜕2 𝑌𝑌𝑌𝑌𝑘𝑘𝑘𝑘
𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜕𝜕𝜕𝜕2 𝑌𝑌𝑌𝑌2𝑘𝑘𝑘𝑘 + 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0,
2 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 + 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0,2 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 2𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝,𝑘𝑘𝑘𝑘 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑇𝑇𝑇𝑇
𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜕𝜕𝜕𝜕2 𝑇𝑇𝑇𝑇
1 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑇𝑇𝑇𝑇
𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑘𝑘𝑘𝑘
𝑌𝑌𝑌𝑌 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕
1+ 1 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑇𝑇𝑇𝑇� − ∑𝑁𝑁𝑁𝑁
�𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝑘𝑘𝑘𝑘 + 𝑌𝑌𝑌𝑌𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕� �1 − 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝,𝑘𝑘𝑘𝑘 � 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑇𝑇𝑇𝑇 + 1 ∑𝑁𝑁𝑁𝑁𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌 �𝜕𝜕𝜕𝜕2 𝑇𝑇𝑇𝑇
𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌𝜌
𝑁𝑁𝑁𝑁 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0,
𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍𝑊𝑊𝑊𝑊𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍
𝑐𝑐𝑐𝑐
2 �𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 2 + 𝑐𝑐𝑐𝑐𝑝𝑝𝑝𝑝 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍 � − ∑𝑁𝑁𝑁𝑁2
𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍
𝑐𝑐𝑐𝑐�+�
�1−�+𝑝𝑝𝑝𝑝
𝑝𝑝𝑝𝑝 ∑𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 ℎ𝑘𝑘𝑘𝑘 𝑚𝑚𝑚𝑚𝑚𝑘𝑘𝑘𝑘 = 0,𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘𝑘 2
𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍𝑊𝑊𝑊𝑊 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍𝑐𝑐𝑐𝑐
2 𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕𝜕 2𝑐𝑐𝑐𝑐 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍 𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍𝜕𝜕𝜕𝜕𝑍𝑍𝑍𝑍𝑐𝑐𝑐𝑐
𝑝𝑝𝑝𝑝

(6)
(6)
⑹

𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝



(7)
⑺
(7)

3．計算結果および考察
3. 計算結果および考察
3. 計算結果および考察
3.1 実験との比較
3.1 実験との比較
3.1 実験との比較(4)
本研究では，立ち上る火炎に対して横風が干渉するような過去の実験計測を対象として，数値
本研究では，立ち上る火炎に対して横風が干渉するような過去の実験計測(4)を対象として，数値
本研究では，立ち上る火炎に対して横風が干渉するような過去の実験計測(4)を対象として，数値シミュレーションによる解析を行った．過去の実験では，i)シミュレーションによる解析を行った．過去の実験では，i) 火炎から生じる上昇気流が二股に分か火炎から生じる上昇気流が二股に分かシミュレーションによる解析を行った．過去の実験では，i) 火炎から生じる上昇気流が二股に分かれ，二つの渦が互いに逆回転する CVP（Counter-rotating
れ，二つの渦が互いに逆回転するCVP（Counter-rotating VortexVortexPair）が形成されること，ii)
Pair）が形成されること，ii)火炎を火炎れ，二つの渦が互いに逆回転する CVP（Counter-rotatingVortexPair）が形成されること，ii)火炎を含む火災旋風と火炎を含まない火災旋風が時間的に交互に現れる，といった特徴が報告されているを含む火災旋風と火炎を含まない火災旋風が時間的に交互に現れる，といった特徴が報告されてい含む火災旋風と火炎を含まない火災旋風が時間的に交互に現れる，といった特徴が報告されている（図 3-1）．図 3-2 に，本解析で得られた，一様流の流速が 2.5 m/s の場合の，温度等値面と火炎をる（図3-1）．図3-2に，本解析で得られた，一様流の流速が2.5（図3-1）．図
3-2 に，本解析で得られた，一様流の流速が 2.5 m/sの場合の，温度等値面と火炎をm/s の場合の，温度等値面と火炎を含む水平断面内の流速分布の時間的変化を示す．図中左側から流入した一様流は，燃料流入口近く含む水平断面内の流速分布の時間的変化を示す．図中左側から流入した一様流は，燃料流入口近く含む水平断面内の流速分布の時間的変化を示す．図中左側から流入した一様流は，燃料流入口近くから立ち上る灯油を燃料とした火炎と干渉し，実験画像(4)と同様のあおられる火炎が再現されていから立ち上る灯油を燃料とした火炎と干渉し，実験画像(4)(4)と同様のあおられる火炎が再現されていと同様のあおられる火炎が再現されていから立ち上る灯油を燃料とした火炎と干渉し，実験画像ることが分かる．また，図 3-2 より，火炎と干渉した一様流は火炎の手前側と奥側から巻き込むよることが分かる．また，図 3-2 より，火炎と干渉した一様流は火炎の手前側と奥側から巻き込むよることが分かる．また，図3-2より，火炎と干渉した一様流は火炎の手前側と奥側から巻き込むような流れとなり（図中に青矢印で図示），さらに火炎下流側に互いに逆回転しつつ z 方向に伸びるうな流れとなり（図中に青矢印で図示），さらに火炎下流側に互いに逆回転しつつ z 方向に伸びるうな流れとなり（図中に青矢印で図示），さらに火炎下流側に互いに逆回転しつつz方向に伸びる一一対の渦対を形成する様子が見られ，実験と定性的に一致していると考えられる．さらに，温度等一対の渦対を形成する様子が見られ，実験と定性的に一致していると考えられる．さらに，温度等値面の時間変化に注目すると，t=30 s と t=35 s の二時刻において，高温領域が上述した渦対の片方対の渦対を形成する様子が見られ，実験と定性的に一致していると考えられる．さらに，温度等値値面の時間変化に注目すると，t=30 s と t=35 s の二時刻において，高温領域が上述した渦対の片方の渦内部に入り込んでいることが分かる．しかし，t=40 s と t=45 s の二時刻において高温領域は渦の渦内部に入り込んでいることが分かる．しかし，t=40 s と t=45 s の二時刻において高温領域は渦対の間に保持される．このように，火炎が火炎旋風を形成する渦に含まれる時と含まれない時が時対の間に保持される．このように，火炎が火炎旋風を形成する渦に含まれる時と含まれない時が時－ 105 －間的に交互に現れること，また，その時間間隔がおよそ5 秒から 10 秒であることも実験を定性的間的に交互に現れること，また，その時間間隔がおよそ 5 秒から 10 秒であることも実験を定性的に再現している．に再現している．

(4) (4)t=65.7s,t=71.6s)
evolution
flame,plume,plume, andand firefire whirl(left:
right:
図 3-1図3-1
TimeTime
evolutionof offlame,
whirlininexperimentexperiment(left:
t=65.7s,right:
t=71.6s)t=30 st=35 st=40 st=45 sevolutionof iso-surfaceofoftemperaturetemperature andand velocity
in horizontal
crosscrosssection
図 3-2図3-2
Time Timeevolutionof iso-surface
velocitydistribution
distribution
in horizontal
sectiont=30.0s,t=35.0s,bottom-left:
t=45.0s)(top-left:
top-right:t=35.0s,bottom-left: t=40.0s,(top-left:
t=30.0s,
top-right:
t=40.0s,bottom-right:
bottom-right:
t=45.0s)面の時間変化に注目すると，t=30 sとt=35 sの二時刻において，高温領域が上述した渦対の片方の3.2 旋回火炎に対する横風の強さの影響
渦内部に入り込んでいることが分かる．しかし，t=40 sとt=45 sの二時刻において高温領域は渦対立ち上る火炎と干渉する一様流の大きさによる，火炎，渦構造が受ける影響について，温度等値の間に保持される．このように，火炎が火炎旋風を形成する渦に含まれる時と含まれない時が時間
面と火炎を含む水平断面内の流速分布（図 3-3），同水平断面内の温度分布（図 3-4），渦度分布（図的に交互に現れること，また，その時間間隔がおよそ5秒から10秒であることも実験を定性的に再3-5）により詳細に観察を行う．一様流速の大きさとして，0.6 m/s と 2.5 m/s の二条件で比較を行う．
現している．
図 3-3 より，一様流速が大きいほど火炎が一様流方向に大きく傾けられることが分かる．また，火炎下流側に形成される渦対領域の水平断面内の大きさについても，一様流速が大きいほど大きいことが分かる．
次に図 3-4 より，一様流速が大きいほど 1,000 K 程度の温度領域は広範に分布するが，3.2
旋回火炎に対する横風の強さの影響2,000 K 程度の高温領域は小さくなることが分かる．これは渦対領域が大きいため，燃焼による高立ち上る火炎と干渉する一様流の大きさによる，火炎，渦構造が受ける影響について，温度等値
温領域が対流により短時間で拡散するためである．また，同図に示される流速ベクトルより，一様面と火炎を含む水平断面内の流速分布（図3-3），同水平断面内の温度分布（図3-4），渦度分布（図流速が小さい場合においては，火炎後流側の広い範囲によどみ領域が形成されていることが分かる．
3-5）により詳細に観察を行う．一様流速の大きさとして，0.6 m/sと2.5 m/sの二条件で比較を行
このよどみ領域は，渦対領域の大きさが一様流速の大きい場合と比較して小さいことにより形成さう．図3-3より，一様流速が大きいほど火炎が一様流方向に大きく傾けられることが分かる．また，れており，時間的に定在することを確認している．図 3-5 に示す渦度分布より，渦度が大きな領域
火炎下流側に形成される渦対領域の水平断面内の大きさについても，一様流速が大きいほど大きいは一様流速が大きいほど大きいことが分かる．また，図 3-4 の温度分布と比較すると，一様流が大ことが分かる．次に図3-4より，一様流速が大きいほど1,000 K程度の温度領域は広範に分布する

4－ 106 －が，2,000 K程度の高温領域は小さくなることが分かる．これは渦対領域が大きいため，燃焼による高温領域が対流により短時間で拡散するためである．また，同図に示される流速ベクトルより，一様流速が小さい場合においては，火炎後流側の広い範囲によどみ領域が形成されていることが分かる．このよどみ領域は，渦対領域の大きさが一様流速の大きい場合と比較して小さいことにより形成されており，時間的に定在することを確認している．図3-5に示す渦度分布より，渦度が大きな領域は一様流速が大きいほど大きいことが分かる．また，図3-4の温度分布と比較すると，一様流が大きい場合には，火炎が火炎旋風を形成する渦に含まれる時と含まれない時が時間的に交互に現れる様子が見られたが，一様流速が小さい場合には火炎が渦に含まれる様子は見られなかった．
今後，火炎が渦に入り込む物理機構，一様流速の大きさや火炎下流側に形成される渦対の大きさと火炎の干渉機構についてより詳細な解析が望まれる．

図 3-3図3-3
Instantaneous
iso-surface
of oftemperature
distribution
horizontal
sectionInstantaneous
iso-surface
temperatureandand velocity
velocity distribution
in inhorizontal
crosscrosssection(left:(left:crossflow
velocity
flowvelocity
velocitycross
flowvelocity 2.5
2.5 m/s,m/s, right:
right: cross
cross flow
0.6 0.6m/s)m/s)

図 3-4
Instantaneoustemperature
horizontal
cross
section
図3-4
Instantaneoustemperatureandandvelocity
velocity distribution
distribution ininhorizontal
cross
section(left:(left:crossflow
velocity
2.5m/s,right:
crossflow
velocity
0.6m/s)cross flow velocity 2.5 m/s, right: cross flow velocity 0.6 m/s)

図 3-5
Instantaneous
vorticity
in horizontal
horizontalcross
crosssection
図3-5
Instantaneous
vorticitydistribution
distribution insection(left:crossflow
velocity
2.5m/s,right:
crossflow
velocity
0.6m/s)(left: cross flow velocity 2.5 m/s, right: cross flow velocity 0.6 m/s)
－ 107 －
きい場合には，火炎が火炎旋風を形成する渦に含まれる時と含まれない時が時間的に交互に現れる様子が見られたが，一様流速が小さい場合には火炎が渦に含まれる様子は見られなかった．今後，

4．まとめ本研究では数値シミュレーションを用いて火災旋風の再現を試み，周囲の流れ場と干渉しつつ発展する機構を調べた．その結果，参照した実験における火炎旋風の特徴を定性的に再現することに成功した．また，火炎と干渉する一様流の大きさを変化させることにより，火炎が渦に含まれる機構が変化すること，火炎周りの流れ場によどみ点が現れるなどの異なる特徴が現れることが分かった．今後，火炎が渦に入り込む物理機構，一様流速の大きさや火炎下流側に形成される渦対の大きさと火炎の干渉機構についてさらに詳細な解析が望まれる．
参考文献
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