Simulation of a Reacting Hydrogen Jet in Air Cross-Flow: Analysis of Inter-jet Spacing Impact in Gas Turbine Design

技術要約：反応性水素ジェットの横流中におけるシミュレーション：ガスタービン設計における噴流間隔の影響解析

問題提起および動機
水素は、既存の天然ガスインフラのレトロフィットにおいて、特に低炭素燃料としてますます追求されている。しかし、水素燃焼は炭化水素燃料と比較して、高い燃焼速度、強い分子拡散性、および高い断熱火炎温度といった特有の課題を抱えており、これらはフラッシュバック、火炎不安定性、および過度な壁面熱負荷のリスクを増大させる。したがって、現代の戦略では、インジェクター規模での混合と火炎配置、具体的には「マイクロミックス」燃焼コンセプトが強調されている。

「ジェット・イン・クロスフロー（JICF）」は、燃料噴射を研究するための標準的な構成であるが、実際の燃スタは孤立したジェットではなく、インジェクターの配列を利用している。先行文献では、閉じ込められた横流中におけるインジェクターの間隔が混合と貫入に影響を与えることが確立されている。しかし、マイクロミックス水素燃焼の設定において、性能指標に対するインジェクター間の間隔の具体的な影響を分離して特定することには、依然として空白領域が存在する。本研究はこの空白を埋めるべく、乱流反応性水素ジェットにおけるインジェクター間隔が、流れの組織化、混合・化学反応相互作用、および設計に関連する性能指標をどのように変化させるかを調査することで、この課題に取り組むものである。

手法
著者らは、高温空気の横流中に噴出する反応性水素ジェットの高度に解像された数値シミュレーションを実施した。本研究では、オーバーセット・曲線座標系上で高次有限差分離散化を用いる Plasmax2 CFDコードを使用した。シミュレーションでは、圧縮性ナビエ・ストークス方程式を、簡略化された9種・12反応の水素・空気反応機構と結合した種輸送およびエネルギー方程式と共に解いた。レイノルズ平均乱流モデルや明示的なサブグリッド閉鎖は使用せず、代わりに、非定常な速度場およびスカラー場を直接解像することに依存した。

• 構成: 1.27 mm径の水素ジェット（$Re = 2,610$, $Ma = 0.16$）を、高温空気の横流（$T = 700$K,$U = 85.66$m/s,$Ma = 0.17$）中に噴射した。圧力は1 atmである。流速の運動量フラックス比は $J = 1.13$ である。
• 境界条件: インライン・インジェクター列をモデル化するために、周期的なスパン方向境界条件を用いた。スパン方向のドメイン幅を変化させることで、変化するインジェクター間隔（$l_{sp}$）の制御された代用として機能させた。
• パラメトリック研究: $2D$ から $10D$（$D$ はジェット径）の範囲で5つの間隔ケースをシミュレートし、$6D$ をベースラインとした。
• メッシュ戦略: 2段階のメッシュアプローチを採用した。初期化メッシュ（$G_I$）でバルクの反応流を発達させた後、統計量の時間平均値を収集するために高度に精細化された生産用メッシュ（$G_P$）へ補間した。
• 関心対象の量 (QIs): 主要な解析領域（$x/D \le 12$）内で、以下の3つの設計指向の指標を分析した。
  1. 下流の未燃水素スループット: 出口における未燃水素の正規化質量流量比。
  2. 壁面熱伝達率: 燃焼器壁への面積平均熱流束。
  3. バルク温度濃度: 高温領域の空間的局在性を反映する指標（$\|T\|_2 / \|T\|_1$）。

主要な結果と知見

1. 流れの組織化と閉塞効果:
   インジェクター間隔は、渦構造のコヒーレンス（干渉性）を大きく変調させる。狭い間隔（$2D$）は、下流に向かって持続するコンパクトでコヒーレントな渦場をもたらす。対照的に、広い間隔では、コヒーレントな構造の早期崩壊が起こる。
   決定的なことに、間隔は局所的な横流速度の制御因子として機能する。狭い間隔は閉塞効果を生み出し、近傍の横流速度をフリーストリームに対して約15%加速させる。この加速により、局所的なジェット対横流速度比（$R_l$）が減少する。逆に、広い間角は、この閉塞を減少させ、横流をフリーストリームに近い状態に保つ。

2. 燃焼と混合への影響:

• 未燃水素: 最も狭い間隔（$2D$）では、未燃水素のスループットが最も高くなった（次のケースよりも約16%高い）。閉塞による加速が燃料を下流へより急速に輸送するため、制御体積内での消費のための滞留時間が減少する。
• 壁面熱伝達: 狭い間隔（$2D$ および $4D$）は、一般に近壁面の熱負荷を増大させた。時間平均壁面熱伝達の最小値は $8D$ で観察された。
• 温度分布: 狭い間隔は、より集中した熱場（高いバルク温度濃度指標）を促進し、広い間隔はより拡散した分布をもたらした。

3. 摂動に対する感度:
   本研究では、点火補助（一過性の摂動）を除去した場合のシステムの応答を分析した。狭い間隔は横方向の偏向を抑制したが、中間から広い間隔（$6D$ および $10D$）は、摂動に対する感度が高まった。具体的には、これらのケースでは、摂動の後に、近壁面ウェイクにおける持続的かつ永続的なスパン方向のオフセット（横方向のバイアス）が発生した。この挙動は、修正された局所速度比に関連しており、流れを反対称ウェークモードが不安定になる領域に置いている。

4. 最適な間隔のトレードオフ:
   性能のランドスケープは非単調である。最も狭い間隔（$2D$）は、未燃燃料、壁面熱伝達、および集中した熱場の観点から不適切であった。最も広い間隔（$10D$）は、未燃燃料と壁面熱伝達のペナルティを再導入し、摂動に対する高い感度をもたらした。
   本研究は、$8D$ の間隔を最適な妥協点として特定した。この構成は、下流の未燃水素スループットと壁面熱伝達の両方を最小限に抑えつつ、低いバルク温度濃度指標を維持した。

意義と主張
本論文は、乱流反応性水素ジェットにおけるインジェクター間隔の具体的な役割を、広範なバーナー概念の中に埋もれがちな変数として、分離・解釈することを主張している。主要な貢献は、間隔が性能を変化させる2つの同時メカニズムを特定したことである：

1. 輸送制御: 狭い間隔は閉塞を増大させ、横流を加速させ、局所的な速度比を減少させることで、燃料消費を遅らせ、未燃スループットを増加させる。
2. ウェーク受容性: 広い間隔は摂動に対する感度を高め、持続的な横方向のウェーク偏向を引き起こす。

著者らは、マイクロミックス・インジェクターを利用する水素レトロフィット用途においては、中間から広めの間隔（特に $8D$ 付近）が、未燃燃料の最小化、壁面熱負荷の管理、および過渡的な摂動に対する流れの安定性の維持の間で、最良のトレードオフを提供すると結論付けている。また、本研究は、複雑な熱化学的相互作用を解明しつつ計算コストを管理するための、実用的な2段階メッシュ戦略を検証している。