反応性流体力学特論2009 第１講 （4/15) －燃焼工学入門－

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1 反応性流体力学特論2009 第１講 （4/15) －燃焼工学入門－
工学における燃焼流れ 燃焼流れｼﾐｭﾚｰｼｮﾝの戦略

2 工学における燃焼流れ 燃焼装置 （制御された燃焼） 制御されない燃焼 燃焼と流れ 燃焼器／火炉／バーナ 燃費 騒音
燃焼装置　（制御された燃焼） 燃焼器／火炉／バーナ　　　　　　　　　 燃費　　　騒音 内燃エンジン（ｶﾞｿﾘﾝ・ﾃﾞｨｰｾﾞﾙ）　　　　　排ガス　 etc. 制御されない燃焼 火災・爆発　　　　　発火　消火 燃焼と流れ 物質（燃料・酸化剤）の輸送 温度の輸送 高温 燃焼 燃料 酸化剤 平成30年12月7日

3 工学における燃焼流れ 固体燃料 液体燃料 気体燃料 石炭 ～ 一般燃料、ボイラー用 (23～35 MJ/kg)
２次燃料（コークスなど）～製鉄　　／　ゴミ処理 液体燃料 ナフサ・ガソリン ～ジェット燃料、ガソリンエンジン (46 MJ/kg) 灯油・軽油 ～家庭用、ディーゼルエンジン (41 MJ/kg) 重油 ～ディーゼルエンジン、発電用 (37～41 MJ/kg) アルコール類　（バイオ燃料） 気体燃料 天然ガス（LNG） ～メタンガス　　発電用 液化石油ガス（LPG) ～プロパンガス　　都市ガス、タクシー 2次燃料（石炭・石油転換ガス、副生燃料ガスなど） 平成30年12月7日

4 工学における燃焼流れ 燃焼に必要な酸素量と空気量 混合比と混合気濃度 量論（理論）酸素量、空気量 ： 質量分率[kg/kg]
燃空比＝１／空燃比　　　：　量論燃空費（空燃比）＝(F/A)st 当量比　φ＝ (F/A)／(F/A)st　　　　　 φ＜１　希薄燃焼、　φ＞１ 過濃燃焼 元素 原子量 完全燃焼反応 酸素量 空気量 生成量 C 12.01 C+O2＝ CO2 2.66 11.48 3.66 H 1.01 H+1/4O2＝ 1/2H2O 7.94 34.21 8.94 S 32.06 S+O2＝ SO2 1.00 4.30 2.00 空気の成分 O2 N2 CO2 Ar H2 質量分率％ 23.20 75.47 0.046 1.28 0.001 体積分率％ 20.90 78.03 0.030 0.933 0.01 （標準乾き空気の組成） 平成30年12月7日

5 工学における燃焼流れ 発熱量と燃焼温度 熱効率 Tbt＝ Hl ／（Gw･cpm）＋T0 cpm ：平均定圧比熱
高発熱量Hh（水蒸気の潜熱含む）⇔低発熱量Hl（含まない） 理論断熱燃焼温度　　　　　　　　　Gw：湿り燃焼ガス質量比 　　　Tbt＝ Hl ／（Gw･cpm）＋T0　　　　　　cpm ：平均定圧比熱 　　予熱のある場合、　　　　　　　　　　 cpu ：未燃混合気の平均定圧比熱 　　　 Tbt＝［Hl＋（Gw･cpu）（ Tu －T0 ） ］／（Gw･cpm）＋T0 　　熱損失Qのある場合、 　　　 Tbt＝（Hl－Q） ）／（Gw･cpm）＋T0 熱効率 　燃焼効率　ηｔ＝Qc／Hl　　　　　　　　　　　　　　　　　⊿H＝Qc－Hl ：不完全燃焼損失 　熱効率　　 ηｔ＝Qe／ΣQi ～ Qe／Hl　　　 ⊿H＝Qｅ－ ΣQi ：熱損失 　　 　　　　　　　　　　Qc ：発生熱量、Qe ：有効熱量、Qi ：入力熱量 平成30年12月7日

6 ガスタービン全体シミュレーション 圧縮機 燃焼器 タービン翼列 次世代ガスタービンへの設計指針 希薄予混合燃焼 環境問題への対応
要素技術として 噴霧液滴の取り扱い Flamelet-LES乱流燃焼モデル 熱伝達計算との接合 材料計算との接合 詳細化学反応モデル 消炎モデル 輻射モデル 燃焼器 乱流燃焼解析 燃焼振動解析 非定常現象の予測 　・吹き消え 　・逆火 噴霧燃焼 　・蒸発予測 輻射 発熱，熱損失予測 タービン翼列 次世代ガスタービンへの設計指針 希薄予混合燃焼 環境問題への対応 非定常乱流解析 熱伝達解析 　冷却システム 耐熱材料の選定指針 出力予測 平成30年12月7日

7 燃焼流れシミュレーションの戦略 ex. combustion flow modeling 103 1 ／RANS ／LES
Turbulent mixing　　　　Flame dynamics　　　Chemical reaction　 Structural design Structural　analysis ・Stress /　vibration ・Thermal striping Sound analysis ・Noise /　instability Turbulence model ・Swirl / Recirculation ・Heat / Mass flux Flame propagation ・Premix / Diffusion flame ・Emission / Blow out Reaction model ・Rarefied combustion ・Alternative fuels PDF approach ／RANS 103 1 Flamelet approach ／LES Detail of chemical element reaction Element reaction／DNS NO OH CO ： 平成30年12月7日

8 解析条件（火炎近似モデル） 解析対象 三次元バーナ 総節点数 675,400 バーナ内径； 1D=9.4[mm] 流入条件
解析対象 三次元バーナ 総節点数 675,400 バーナ内径； 1D=9.4[mm] 流入条件 　・inlet1 C3H [m/s] 　・inlet2 Air 66.0 [m/s] 　・inlet3 Air 10.0 [m/s] 時間刻み 1.0×10-5　[sec/step] Time step 40,000[step] 空間離散化 ; 二次中心差分 (混合分率輸送方程式は一次風上差分) 時間積分 ; Crank-Nicolson法 計算時間; 8hour/10,000step 　　　（HITACHI SR11000/K1 1node 16CPU） 初期条件；領域全体に主流方向速度1.0[m/s] 電気化学工業株式会社　提供 平成30年12月7日

9 解析条件 (詳細反応解析) 時間刻み ;1.0×10-7 [sec/step] Time step ; 15,000 [step]
計算時間 ; 23hour/10,000step （30反応式）　 反応モデル ;拡大Zeldovich 機構を含む C3H8の30,113反応式 flamelet approach ・時間刻み ；1.0×10-5 [sec/step] ・Time step；40,000 [step] ・計算時間 ； 8hour/10,000step 拡大Zeldovich 機構 N2+O⇔NO+N O2+N⇔NO+O N+OH⇔NO+H ・生成速度は温度上昇により増加、燃焼反応に比べ遅い 平成30年12月7日

10 解析結果の比較 (温度分布) X=11D flamelet approach X=58D 30 equations 平成30年12月7日

11 実機燃焼器内の複合火炎の解析 解析対象燃焼器 解析条件 Reynolds数：17700 Outlet 解析格子：非構造６面体格子 Inlet
解析セル数：226万セル 標準Smagorinskyモデル 　　（Cs=0.1） Outlet 600mm Inlet Combustion chamber Swirl nozzle 解析結果 主流方向 平均速度 （x/D=3/8） 瞬時主流速度分布 主流方向 速度変動 （x/D=3/8） 平成30年12月7日

12 実機燃焼器内の複合火炎の解析 瞬時火炎面分布（G=G0) 瞬時温度分布 瞬時燃料濃度分布 x=118mm 平成30年12月7日