一様流中に噴出した旋回噴流の流動に関する研究

吉廻 秀久

本論文はボイラ火炉の設計において必要なバーナとかエアポート噴流の炉内流動を予測する手段を開発したものである.
第1に,一様流中に噴出した旋回噴流の流動特性を明らかにした.
第2に,実験結果から旋回噴流の湾曲に対する実験式を提案した.
第3に,市販の数値計算コードを用いてシミュレーションし,ボイラ火炉の実用範囲において適用可能なことを明らかにした.
第4に可視化画像から濃度分布と速度分布を算出する可視化計測法を開発した.

以下に各章における要点を記述する.

第2章「画像処理を用いた流動解析」では,
1)フェノールフタレインの発色を利用した酸塩基中和法に画像処理を加えて濃度分布を求めるシステムを開発した.
2)トレーサ粒子をスリット光で照明する流れの可視化法に画像処理を加えることによって,断面内の瞬間の速度分布及び時間平均した速度分布と濃度分布が計測できるシステムを開発した.
3)上記2つの計測法を一様流中に円形自由噴流を噴出する実験に適用し,噴流の湾曲を示すPatrickの式と比較した.壁の影響が見られないX/D<4の領域において,濃度分布の稜線の位置H0(噴流中心軸からの高さ方向への距離)の誤差は30%以内である.

第3章「単純旋回噴流の計測」では,酸塩基中和法による実験から等濃度線を求め次の知見を得た.
1)Sw<0.97では旋回噴流はスワール数の増加に伴い,偏向量も広がり幅も増大する.
2)Sw>0.97では偏向量,広がり幅ともに増加しない.
3)旋回噴流の中心軌跡に対する実験式を作り,Sw<0.97で実験結果を表現できることを確認した.

また,トレーサ法による実験から次の知見を得た.
4)本旋回発生器では内部がスロート径程度の強制渦でその外側が自由渦であるランキン渦が発生する.
5)X/D=1の断面を正面から見た場合,旋回噴流の下流には旋回方向と逆の渦が生じる.

第4章「単純旋回噴流の数値シミュレーション」では,単純旋回噴流を一様流中に噴出する数値シミュレーションを行い,以下の結果を得た.
1)旋回力の小さい場合には,計算結果は分布形,到達距離,噴流幅とも実験値と良く一致する.
2)旋回力の大きいSw=0.76の場合には実験との間に差が生じる.この主原因は,計算における誤差と考えられる.
3)容器寸法を変えて計算した結果,Sw<0.76では顕著な差は見られられないことから,スロート径に対する容器寸法の影響は実験範囲内では小さいと推定される.

第5章「2重旋回噴流の計測」では,2重旋回噴流を一様流中に噴出する実験を行い,以下の結果を得た.
1)2重旋回噴流の1次流はX/D<2で2次流とほとんど混合せず直進する.X/D>2では急激に混合し高さ方向に偏向する.
2)2重旋回噴流の濃度分布は単純旋回噴流の場合と同様に左右非対称となる.
3)1次流と2次流の流量比M1/M2=0.3/0.7(Sw=0.72)において,単純旋回噴流ではX/D<2の噴流中心軸上で逆流するのに対し,2重旋回噴流では順方向に流れる

第6章「2重旋回噴流の数値シミュレーション」では,流路面積比A1/A2=0.4/0.6,Sw<0.92の範囲において,実験結果と計算値は濃度の絶対値に差があるものの分布形は概ね一致した.濃度分布において等濃度領域の面積,到達距離,広がり幅を比較し以下の知見を得た.
1)Y/D=0の側面図において等濃度領域の面積は最大7%で一致する.各等濃度領域の噴流軸方向Xへの到達距離はSw=0.72の場合を除き,1.5D以内で一致する.
2)X/D=1,3における正面図において等濃度領域の面積は15%以内で一致する.各等濃度領域の幅方向Yへの広がりY0は1D以内で一致する.

第7章「実炉の計算」では,一様流中へ噴出した旋回噴流の工業上の実施例として,LNG焚大型ボイラ火炉内の燃焼シミュレーションを行った.乱流モデルには一般k-εモデル,燃焼モデルにはアレニウス型気相反応モデル,伝熱モデルには光線追跡法を使用した.火炉中央部を除いて噴流の湾曲量を実験式と比較すると両者は0.1D以内の差で一致した.また,50%,70%,100%負荷の条件における火炉出口断面の平均温度は実測と20℃以内で一致した.これより,数値シミュレーションに対して,市販コードが適用できる見通しを得た.

第8章「結論」では,本論分の各章で得られた結果を総括して述べた.

機械工学 [ 530 ]

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