Numerical simulation study on ignition process of hydrogen micro-mixed diffusion combustion chamber

技術要約：水素マイクロ混合拡散燃焼器の着火プロセスに関する数値シミュレーション研究

問題提起

「ダブルカーボン」という戦略目標の下、水素燃料は航空機エンジンのエネルギー構造を変革するための重要な要素としてますます注目されています。しかし、水素の高い反応性、低い着火エネルギー、および広い着火範囲は、特に燃焼器のような閉鎖空間において、重大な安全上の課題を提示しています。このような環境における着火は、過圧（本研究では初期圧力の5%を超える局所的な圧力上昇と定義）および爆発の潜在的なリスクを伴います。マイクロ混合拡散燃焼技術は、火炎を微小領域に分割することで混合を促進し、エミッションを低減する解決策を提供しますが、このような閉鎖空間における純水素の具体的な着火リスクと爆発特性に関する研究は、依然として「空白領域」となっています。既存の文献は主に水素添加燃料や非閉鎖型の漏洩シナリオに焦点を当てており、様々な噴射および着火戦略下における純水素マイクロ混合室の着火ダイナミクスに関する理解には、ギャップが存在します。

研究手法

本研究では、ANSYS-FLUENTソフトウェアを用いた数値シミュレーション手法を用い、水素マイクロ混合拡散燃焼器の着火プロセスを調査します。

• 物理モデル： シミュレーション領域は、Cranfield大学の単一の3次元インジェクター構造を拡張した配列に基づいており、260 mmの長さを持つ燃焼室、70 mmのテール収束セクション、および6組のインジェクター（それぞれに空気および水素の入口を備える）で構成されています。
• 数値設定：
  • アルゴリズム： 圧力ベースの速度結合型（Coupled）アルゴリズム。
  • 乱流モデル： 水素燃焼の精度を確保するため、Yilmaz Harunらによる先行研究に基づき選定。
  • 燃焼モデル： 乱流流動中の化学反応を捉えるためのエディ・ディシペーション・コンセプト（EDC）。
  • 化学反応： ÓConaireの複雑な水素反応メカニズム（10成分、21反応ステップ）。
• 境界条件： 当量比は0.4に固定。入口条件は全空気温度422 K、圧力243.47 kPa。着火源は高温熱源（2000 K、半径3 mm）としてモデル化。
• 安全基準： GB/T 42368-2023を参照し、瞬時圧力比（$P_r = P_m / P_{t3}$）が1.05に達するか、これを超えた場合に爆発が発生したとみなす。
• 検証： 0.2 mm、0.3 mm、0.5 mmの構造格子を用いて格子独立性を検証しました。0.3 mmの格子は、0.2 mmの格子と一致する結果を示しつつ、精度要件を満たしていたため、これが選定されました。

主な貢献と結果

本研究では、異なる噴射・着火タイミング（安定充填、充填終了時、半充填時）および異なる始動負荷（全負荷、1/2負荷、2/3負荷の動作条件）における燃焼および爆発特性を体系的に分析しています。

1. 着火タイミングと混合物の均質性

• 安定充填（時刻A）： 安定充填下では、火炎は比較的スムーズに伝播しますが、初期段階でバックファイア（逆火）が発生します。過圧事象が発生し、最も高いピーク圧力（$P_r = 1.185$）は、$t = 75.5$ msにおいてインジェクター④および⑤付近の水素出口で観測されました。
• 充填終了時（時刻B）： 充填終了時の着火は、濃度勾配を伴う極めて不均一な混合物をもたらします。これは火炎の分離を引き起こし、安定充填と比較して著しく高い過圧リスクをもたらします。最高圧力ピークは、$t = 194.98$ msにおいてインジェクター①のインジェクターパイプライン内で$P_r = 1.48$に達しました。
• 半充填時（時刻C）： この条件は最も不安定な流動場を呈し、チャンバーの後半半分は純粋な空気となります。着火は火炎の接続に失敗し、火炎は吹き消え（ブローアウト）の傾向を示します。ここでの過圧リスクは最も高く、ピーク圧力は$t = 207.47$ msにおいて$P_r = 1.54$となりました。本研究は、半充填時の着火は安全性が低く、信頼できないと結論付けています。

2. 始動負荷および噴射戦略

• 全負荷動作条件： 頻繁なバックファイアを伴う中程度の過圧リスクを示します。
• 1/2負荷動作条件： アクティブなインジェクターの数（下半分のみ）を減らすことで、平均温度と反応熱は減少しますが、流動場の不安定性により、逆説的に過圧の回数と振幅が増加します。
• 2/3負荷動作条件： 中央の4つのインジェクターを使用し、対称的な着火位置（着火位置2）を用いると、リスクが大幅に軽減されます。平均圧力脈動振幅は0.61 kPaに低下し、発生した過圧事象は、インジェクター④付近の特定の幾何学的応力集中に起因する、わずかなもの（$P_r = 1.072$）のみでした。

3. 最適な着火スキーム

本研究は、以下の特定の逐次着火戦略を最適解として特定しました：

1. 中央の2つの水素インジェクター（③および④）のみを開放し、安定した対称的な火炎を確立する。
2. 50 ms後、隣接するインジェクター（②および⑤）を開放して燃焼を拡大させる。
   結果： この対称的かつ段階的なアプローチにより、検出期間中のバックファイア現象が完全に排除されました。過圧事象（$P_r \geq 1.05$）は観察されませんでした。反応熱と圧力変動は滑らかであり、火炎は非対称または非逐次的な戦略で見られる激しい振動を起こすことなく、安定して伝播します。

意義と主張

本論文は、中国の航空用水素燃料マイクロ混合燃焼器の安全かつ信頼性の高い着火に対する、初の理論的裏付けを提供し、これまで未開拓であった研究の空白を埋めるものであると主張しています。

• 過圧のメカニズム： 本研究は、過圧がバックファイアと直接相関していることを明らかにしています。バックファイアによる局所的な高温が、エッジ、コーナー、インジェクターの段差、および壁面に遭遇したときに、圧力の蓄積が発生します。
• 均質性の役割： 本研究は、混合物の不均一性、不適切な着火タイミング、および非対称な噴射条件が、過圧の頻度と振幅を増大させる主要な要因であることを示しています。
• 実用的な推奨事項： 著者らは、対称条件下で水素噴射ポートの数を減らすことが、過圧を軽減するための効果的な方法であると結論付けています。具体的には、「中央の2つを先に、その後に拡大する」という着火スキームが、燃焼の不安定性と爆発リスクを最小限に抑えるための最適な戦略として提案されています。

本研究は、2/3負荷条件での対称噴射がリスクを低減させる一方で、2つのミドルグループの逐次着火とその後の拡大が、最も安定したプロセスと最低の過圧リスクを提供することを強調しており、閉鎖されたマイクロ混合チャンバー内での水素爆発につながる条件を効果的に防止します。