JP2005265486A - Measuring process for combustion propagation analysis of fuel and flame spreading, and test method of flame propagation mode of fuel using device - Google Patents

Measuring process for combustion propagation analysis of fuel and flame spreading, and test method of flame propagation mode of fuel using device Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an air flow tracking device for measuring combustion propagation analysis between fuel droplets and flame spreading in the nongravitaional or microgravitational state by PTV measurement, and a test method of a flame propagation mode by the PTV measurement between fuel droplet particles. <P>SOLUTION: This measuring device for combustion propagation analysis and flame spreading has (a) in a housing or in a partitioned space, (b) a suspension line support base for supporting a suspension line, (c) a droplet generation device for generating a simulated droplet, (d) a tracer particle supply device for supplying a tracer particle cloud, and (e) an ignition device, and also has (f) an optical measuring system and (g) a sequencer for controlling them. In the device, (d) the tracer particle supply device has (d1) a tracer particle selection means for removing gross particles in the tracer particles and supplying only particles having the uniform particle size. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、液体燃料の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置、及び該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法に関し、特に、PTV計測による無重力乃至微小重力下での燃料の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりを計測するための気流追跡装置、及び該装置を用いた燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法に関する。また、無重力乃至微小重力下での液体燃料の測定装置、及び該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法に関する。   The present invention relates to a combustion propagation analysis of liquid fuel, a flame spread measurement apparatus, and a test method of a fuel flame propagation mode using the apparatus, and more particularly, a combustion propagation analysis of fuel under zero gravity or microgravity by PTV measurement. Further, the present invention relates to an air flow tracking device for measuring flame spread and a flame propagation mode test method by PTV measurement between fuel droplet particles using the device. The present invention also relates to an apparatus for measuring liquid fuel under zero or microgravity, and a method for testing a flame propagation mode of fuel using the apparatus.

ガス流動計測には従来よりレーザードップラー流速計や熱線風速計が用いられ、特定の1点における時間的変化が測定されてきた。しかし、一般の乱流場では種々の寸法をもつ乱れ渦が間歇的に発生し、その分布が時間と共に複雑に変化するので、実際上重要な乱流の空間構造を、限られた位置での時系列流速データに基いて推定することは困難である。そこで、近年、画像処理・解析技術の進歩と相俟って、流体中に浮遊させた多数のシード粒子のレーザーシー画像を記録・解析することにより、流速の空間分布を求めることが試みられるようになってきたが、この画像流速測定には、個々の微粒子の移動を追跡する粒子追跡流速法(PTV法;Particle Tracking Velocimetry;PTV法)と、微粒子群の動きを統計的に求める粒子画像流速法(Particle Image Velocimetry;PIV法)が行われている。うち、PIV法は、ゲッチンゲンのDeutsches Zentrum fur Luft und Raum‐fahrt (DLR)のMarkus Raffel, Christian E. Willert, Jeurgen Kompenhaus による名著(日本では、小林敏雄監修、岡本幸司、川橋正昭、西尾茂訳の「PIV−粒子画像流速測定法−の基礎と応用」が出版されている)がある。PIV法には、自己相関PIV計測と相互相関PIV計測が含まれ、いずれの場合も、露光時間が数100マイクロ秒単位で撮影された流跡画像の解析により流跡の始点と終点を決定して速度ベクトルを求める際、PTV法に比べてシード条件に課せられる制約が少なく実際的で、条件の設定が難かしい内燃機関のシリンダ内ガス流動計測にも利用できるとされている(非特許文献1)が、その基本になるのは、やはり、PTV法であって、シード条件に課せられる問題を克服し、かつ正確な測定ができるPTV技術が必要であり、かつ、そのようなPTV技術は、優れたPIV測定技術の開発を支える基礎的技術手段ともなり得る重要なものである。   Conventionally, laser Doppler velocimeters and hot wire anemometers have been used for gas flow measurement, and temporal changes at a specific point have been measured. However, in a general turbulent flow field, turbulent vortices with various dimensions are generated intermittently, and their distribution changes in a complex manner with time. It is difficult to estimate based on time-series flow velocity data. Therefore, in recent years, in conjunction with advances in image processing and analysis technology, it may be attempted to determine the spatial distribution of the flow velocity by recording and analyzing laser seed images of a large number of seed particles suspended in the fluid. However, for this image flow velocity measurement, a particle tracking velocity method (PTV method) that tracks the movement of individual particles and a particle image flow velocity that statistically determines the movement of the particle group. (Particle Image Velocimetry; PIV method) has been carried out. Among them, the PIV method is a famous book by Markus Raffel, Christian E. Willert, Jeurgen Kompenhaus of Deutsches Zentrum fur Luft und Raum-fahrt (DLR) in Goettingen (in Japan, supervised by Toshio Kobayashi, Koji Okamoto, Masaaki Kawahashi, Shigeru Nishio) "PIV-Fundamentals and Applications of Particle Image Velocimetry" has been published). The PIV method includes auto-correlation PIV measurement and cross-correlation PIV measurement. In either case, the start and end points of the trace are determined by analyzing the trace image taken in units of several hundred microseconds. Thus, when obtaining the velocity vector, it is said that it can be used for measuring the gas flow in a cylinder of an internal combustion engine which is practical and less difficult to set the seed condition than the PTV method (Non-Patent Document). 1) is still based on the PTV method, which requires a PTV technique that can overcome the problems imposed on the seed conditions and perform accurate measurement. It is an important thing that can be a basic technical means to support the development of excellent PIV measurement technology.

即ち、20世紀の最大の交通手段として用いられてきた車は、21世紀においてもしばらくその座を譲りそうになく、電気自動車や燃料電池車,ハイブリッド車,天然ガス車,メタノール車など多くの低公害車が検討、開発・運用されているが,普及するには時間を必要とし、このような現状から,最先端技術によるガソリン車やディーゼル車の排出ガス改善が急務の課題となっている。
また、液体燃料を霧化して燃焼させる噴霧燃焼は、ボイラや炉をはじめ、ディーゼル機関や液体ロケット機関、ガスタービンなどの燃焼器に広く用いられている燃焼方式である.エネルギー問題や環境問題が急務の課題となっている今日、噴霧燃焼の機構を解明することはこれらの燃焼器の性能向上に寄与し、燃料消費率の向上、有毒ガス排出の低減など、諸問題の解決に役立つと考えられる。燃焼の機構が明らかにされ、燃焼器の設計が理論的に行われるようになれば、開発期間の短縮や開発コストの低減など工業的にもおおいに役立つと考えられるが、噴霧燃焼は燃料微粒子,燃料蒸気および空気からなる極めて不均一な系で起こる現象である。噴霧燃焼を支配する因子は数多くあり、重要なものでは液滴直径や燃料組成、温度、ガス組成、圧力、液滴と周囲気体の相対運動などが挙げられる。また、蒸発・拡散・混合、それによって生じた混合気の燃焼が同時に進行し、かつ影響しあうので、噴霧燃焼現象をそのまま解析することは非常に困難である。したがって、従来それぞれの燃焼機器について個別に研究されることが多く、噴霧燃焼の一般的特性が把握されていないのが現状である。噴霧燃焼を解明するため、以下の二つのアプローチが考えられてきた。噴霧中の液滴の気化が極めて速やかで、かつ燃焼過程が比較的ゆっくり進行するような場合には、液滴の蒸発後に燃焼が開始すると考えられ、バーナー拡散火炎の燃焼に近いものとなる。バーナー拡散火炎と火炎の単純モデルとして用いた研究が数多く行われている。これとは逆に、噴霧中の液滴が比較的大きく、燃焼過程が比較的速やかに進行する場合には、燃焼末期まで液相の粒子が残存して蒸発過程と燃焼過程とが平行して進行する状態にあるであろうし、液滴の蒸発速度がその燃焼速度を律する大きな要因であると考えられる。この考えに基づき、噴霧燃焼の最小構成単位である単一燃料液滴を利用して液滴燃焼の研究が行なわれてきた。しかしながら、実際の噴霧燃焼では、空間に生成された多数の燃料液滴が互いに影響を及ぼしながら燃焼が進行する。そのため、単純に単一燃料液滴の研究で得られた知見を噴霧燃焼に拡張することには飛躍がある。燃料液滴列の液滴干渉や燃え広がりが挙動の研究で得られた知見が必要になる。
In other words, the cars that have been used as the largest means of transportation in the 20th century are unlikely to take over for a while in the 21st century, and many vehicles such as electric cars, fuel cell cars, hybrid cars, natural gas cars, methanol cars, etc. Although pollution vehicles are being studied, developed and operated, it takes time to disseminate, and from such a current situation, improvement of exhaust gas from gasoline and diesel vehicles by state-of-the-art technology has become an urgent issue.
Spray combustion, which atomizes and burns liquid fuel, is a combustion method widely used in combustors such as boilers, furnaces, diesel engines, liquid rocket engines, and gas turbines. Elucidation of the mechanism of spray combustion contributes to the improvement of the performance of these combustors, and various problems such as improvement of fuel consumption rate and reduction of toxic gas emission, are now urgent issues of energy and environmental issues. It is thought that it will help to solve the problem. If the mechanism of combustion is clarified and the design of the combustor is theoretically performed, it is thought that it will greatly help industrially, such as shortening the development period and reducing development costs. It is a phenomenon that occurs in a very heterogeneous system consisting of fuel vapor and air. There are many factors governing spray combustion, and important ones include droplet diameter, fuel composition, temperature, gas composition, pressure, and the relative motion of the droplet and the surrounding gas. Further, since evaporation, diffusion, and mixing, and combustion of the resulting air-fuel mixture proceed and affect each other at the same time, it is very difficult to analyze the spray combustion phenomenon as it is. Therefore, there are many cases where individual combustion devices have been studied individually, and the general characteristics of spray combustion have not been grasped at present. In order to elucidate spray combustion, the following two approaches have been considered. When the vaporization of the droplets during spraying is extremely rapid and the combustion process proceeds relatively slowly, it is considered that combustion starts after evaporation of the droplets, which is close to the combustion of a burner diffusion flame. There have been many studies using burner diffusion flames and simple models of flames. On the other hand, when the droplets in the spray are relatively large and the combustion process proceeds relatively quickly, liquid phase particles remain until the end of combustion, and the evaporation process and the combustion process are parallel. It will be in a state of progress, and the evaporation rate of the droplets is considered to be a major factor governing its combustion rate. Based on this idea, research on droplet combustion has been conducted using a single fuel droplet, which is the minimum structural unit of spray combustion. However, in actual spray combustion, combustion proceeds while a large number of fuel droplets generated in the space influence each other. Therefore, there is a breakthrough in simply extending the knowledge gained from single fuel droplet research to spray combustion. The knowledge obtained from the study of the behavior of droplet interference and spread of fuel droplets is necessary.

そこで、従来公表されている関連技術を概観すると、小西らは、懸垂液滴を水平に配置した場合と鉛直に配置した場合について燃焼速度定数を測定し、液滴間隔との相互関係を求めるとともに、火炎の撮影を行った結果、液滴間の干渉効果について、1)燃焼速度定数は液滴間隔の増加に伴って単調に増加した後、単一液滴の場合の値に漸近し、2)燃焼速度定数の低下が認められるのは一つの火炎が液滴列全体を包む集団燃焼状態にあるときである旨の知見を報告(非特許文献2)している。   Therefore, when reviewing related technologies that have been publicly disclosed, Konishi et al. Measured the combustion rate constants when suspended droplets were placed horizontally and vertically, and calculated the correlation with the droplet spacing. As a result of shooting the flame, the interference effect between the droplets was as follows: 1) The combustion rate constant increased monotonously with the increase in the droplet interval, then gradually approached the value for a single droplet, 2 (1) A decrease in the combustion rate constant is observed when a single flame is in a collective combustion state covering the entire droplet row (Non-Patent Document 2).

また、三上らは、等直径・同一燃料の2 液滴を用いた燃焼実験を、通常重力場および微小重力場において行い、両者の比較より干渉燃焼に及ぼす重力の影響を調べた結果、通常重力場では火炎間の酸素不足が微小重力場ほどはなはだしくなく、また、二つの火炎が分離した形態で存在するとき、初期液滴間隔が小さいほど火炎に酸素を供給する自然対流の効果は強く、燃焼の初期を除くと、同じ無次元液滴直径に対する燃焼速度は、微小重力場では初期液滴間隔の減少とともに単調減少するのに対し,通常重力場ではある初期液滴間隔において最大となり、これにより、液滴の干渉燃焼に及ぼす重力の影響はある初期液滴間隔において最大となることがわかった旨報告(非特許文献3)している。   Mikami et al. Conducted a combustion experiment using two droplets of the same diameter and the same fuel in a normal gravity field and a microgravity field. In the gravitational field, the oxygen deficiency between the flames is not as severe as in the microgravity field, and when the two flames exist in a separated form, the effect of natural convection that supplies oxygen to the flame is stronger as the initial droplet interval is smaller, Except for the initial stage of combustion, the burning rate for the same dimensionless droplet diameter decreases monotonically with decreasing initial droplet spacing in the microgravity field, whereas it becomes maximum at an initial droplet spacing in the normal gravity field. Therefore, it has been reported that the influence of gravity on the interference combustion of droplets is maximized at a certain initial droplet interval (Non-patent Document 3).

吉田らは、石英糸の懸垂線を一列一直線上に10本並べ、高圧雰囲気中に燃料液滴を懸垂した後、微小重力場において第一番目の燃料液滴に点火し、火炎の燃え移りの観察および燃え広がり速度の計測を行った結果、火炎伝ぱには周囲圧力および液滴間隔によって、1)連続的に起る火炎伝ぱ、2)断続的に起る火炎伝ぱ、3)隣り合った2 液滴がほぼ同時に点火する断続的火炎伝ぱの3種類の伝ぱ機構が存在することが判明した旨報告(非特許文献4)すると共に、球対称熱伝導方程式を用いて火炎のまわりの温度分布を調べ、伝ぱ機構についての考察を行っている。   Yoshida et al. Arranged 10 quartz wire suspension lines in a line and suspended fuel droplets in a high-pressure atmosphere, then ignited the first fuel droplets in a microgravity field, and observed the flame burnout. As a result of the measurement of the flame spread speed, the flame propagation depends on the ambient pressure and the droplet interval, 1) flame propagation that occurs continuously, 2) flame propagation that occurs intermittently, 3) two adjacent droplets Report that it was found that there are three types of propagation mechanism of intermittent flames that ignite almost simultaneously (Non-Patent Document 4), and investigated the temperature distribution around the flames using a spherically symmetric heat conduction equation, We are studying the propagation mechanism.

また、角田らは,定圧燃焼容器に充填されたプロパン−空気希薄混合気中を伝播する層流火炎が石英糸により保持された燃料液滴列を通過する際の、燃料液滴の着火および燃焼挙動について調べ、実験により,燃料液滴の着火遅れは,燃料液滴初期直径の増加,燃料の標準沸点の上昇、希薄混合気の当量比の減少によって増加することが分かり、標準沸点の低い燃料液滴を通過する際、伝播火炎面はその進行方向に凸状に変形することが分かり、また、液滴間隔を変化させると、下流側の液滴の着火遅れを示す曲線は極小値をもつことがわかった旨発表(非特許文献5)している。   Kakuta et al. Also ignited and burned fuel droplets when a laminar flame propagating through a lean propane-air mixture filled in a constant pressure combustion vessel passed through a fuel droplet row held by quartz yarn. Investigation of the behavior and experiments show that the ignition delay of fuel droplets increases with increasing initial droplet diameter, increasing the normal boiling point of the fuel, and decreasing the equivalence ratio of the lean mixture. It can be seen that the propagating flame surface deforms in a convex shape in the traveling direction when passing through the droplet, and the curve indicating the ignition delay of the downstream droplet has a minimum value when the droplet interval is changed. It has been announced that it has been found (Non-patent Document 5).

梅村らは、点火された液滴の周りに作られる拡散火炎の成長過程を理論解析し、直線液滴列の群燃焼火炎先端部で起きる液滴間の火炎伝ぱ機構をあきらかにし、火炎伝ぱ速度を予測する式を導き、解析結果は、最近微小重力実験で測定された液滴間隔に対する依存性を良く予測し、提案した火炎伝ぱ機構の妥当性を裏付けている。同じ雰囲気条件の下で燃焼する孤立液滴で達成される最大火炎直径と同程度の液滴間隔を持った液滴列で最大火炎伝ぱ速度が実現され、その大きさは主に液滴の加熱時間によって支配されていることを発表し、液滴間隔の変化に伴って現れる3つのモードの火炎伝ぱ機構の違いについても考察(非特許文献6〜8)している。   Umemura et al. Theoretically analyzed the growth process of diffusion flames created around ignited droplets, and revealed the mechanism of flame propagation between droplets at the front of the group-burning flame of a linear droplet row. The result of the analysis predicts the dependence on the droplet spacing recently measured in microgravity experiments, and supports the validity of the proposed flame propagation mechanism. Maximum flame propagation velocity is achieved with a droplet train with droplet spacing comparable to the maximum flame diameter achieved with isolated droplets burning under the same atmospheric conditions, mainly due to the heating of the droplets It is announced that it is governed by time, and the differences in the flame propagation mechanisms of the three modes that appear with changes in the droplet spacing are also considered (Non-Patent Documents 6 to 8).

小林らは超臨界雰囲気でのデカン液滴列の燃え広がり実験を微小重力場で行い、雰囲気圧力5MPaまでは,微小重力場では圧力が増大するに従い燃え広がり速度は減少し、通常重力場においても雰囲気圧力が増大するに従い燃え広がり速度は単調に減少し、また,臨界圧力では燃え広がりが生じなかったが、しかし微小重力場では臨界圧力において燃焼している液滴が燃焼をしていない液滴を加熱して燃料蒸気を噴出することにより,燃え広がり速度は増大したこと、及び、燃料蒸気の噴出メカニズムを調べるために検証実験を行った結果,マランゴニ対流によって燃料蒸気が噴出していることが観察されたことを公表(非特許文献9)している。   Kobayashi et al. Conducted a flank spreading experiment of decane droplets in a supercritical atmosphere in a microgravity field. Up to an atmospheric pressure of 5 MPa, the burning spread rate decreased as the pressure increased in the microgravity field, and the atmospheric pressure in a normal gravitational field as well. However, in the microgravity field, the droplets that burned at the critical pressure heated the droplets that were not burning. As a result of a verification experiment to investigate the fuel vapor ejection mechanism, it was observed that the fuel vapor was ejected by Marangoni convection. Published (Non-Patent Document 9).

さらに、菊池らは燃料液滴直径1mmのデカン,初期周囲温度573 K の条件を用いて、予混合気の点火や予混合火炎の構成、燃え広がりを生じていない液滴の熱伝導の効果などを調べるために液滴の間隔、直径、雰囲気温度を変化させて液滴列の燃え広がりの数値計算を行った結果、液滴間隔が小さい場合、火炎前面は液滴の間の予混合層を伝わらず、液滴周囲を進行し、液滴間隔が比較的大きい場合、火炎前面は液滴の間の予混合層を通って伝わり、液滴間隔がさらに大きい場合、火炎は燃え広がりが生じていない液滴の予混合気に燃え広がる前に、燃え広がりが生じていない液滴で発生することを報告し、この過程は不連続な予混合火炎伝播の中間的な現象と考えられ、s/d に対して,火炎伝播速度の傾向は非特許文献9の実験結果と一致したと報告(非特許文献10)している。   Furthermore, Kikuchi et al. Used a decane with a fuel droplet diameter of 1 mm and an initial ambient temperature of 573 K to determine the effect of premixed gas ignition, premixed flame structure, and heat conduction effect of droplets that did not spread. As a result of numerical calculation of the flame spread of the droplet row by changing the interval, diameter, and ambient temperature of the droplet to investigate, if the droplet interval is small, the flame front does not propagate through the premixed layer between the droplets The flame front travels through the premixing layer between the droplets when traveling around the droplets and the droplet spacing is relatively large, and when the droplet spacing is even larger, the flame is a droplet that does not spread out. It is reported that this occurs in droplets that do not spread before the premixed gas mixture spreads, and this process is considered to be an intermediate phenomenon of discontinuous premixed flame propagation. , The tendency of flame propagation speed is consistent with the experimental results of Non-Patent Document 9 Report are (Non-Patent Document 10).

N. Rotii らは液滴を三列打ち上げ,液滴流をつくり端から点火をする実験を行い、液滴速度を一定にして、液滴直径、質量流量、液滴温度、液滴列間隔を変化させて燃え広がり観察を行った結果として、初期液滴温度が増大すると燃え広がり速度は増大し、質量流量を一定とした場合,液滴直径は燃え広がり速度に無関係であり、液滴速度を一定として、質量流量を増大させると燃え広がり速度は増大することを報告(非特許文献11)している。   N. Rotii et al. Conducted an experiment in which droplets were launched in three rows, ignited from the end of a droplet stream, and the droplet diameter, mass flow rate, droplet temperature, and droplet row spacing were set constant. As a result of observing the spread and change, the spread rate increases as the initial droplet temperature increases. When the mass flow rate is constant, the droplet diameter is independent of the spread rate, It has been reported that the flame spread rate increases when the mass flow rate is increased (Non-patent Document 11).

これらの研究は液滴間の燃え広がりについて調べてたものである。従来の燃料液滴列の燃焼に関する研究では、細い石英糸などの懸垂線を用いて燃料液滴を空間に固定させる方法が用いられてきた。しかしながら,懸垂線による液滴固定法では、燃焼によって生じる流れが液滴の移動、さらには液滴の移動が火炎燃え広がりに与える影響が調べられない。   These studies looked at the spread of fire between droplets. In conventional research on combustion of fuel droplet arrays, a method of fixing fuel droplets in space using a suspension line such as a thin quartz thread has been used. However, in the droplet fixing method using the catenary line, the influence of the flow generated by the combustion on the movement of the liquid droplet and the movement of the liquid droplet on the flame spread cannot be examined.

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したがって、本発明の目的は、特定微粒子の挙動を簡単且つ正確に解析することができ、特に、PTV法により、近隣の同様な粒子との相関を考慮した特定微粒子の挙動を簡単且つ正確に解析することができ、極く粗大粒子を簡単に除去して均一な粒径の微粒子のみを被測定用マーカーに供して、PTV法特有のシード条件に課せられる制約を克服した燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置、及び、該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、無重力乃至微小重力下での燃料液滴間の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりを測定するのに適した液体燃料の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置、及び該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法を提供することにある。
本発明によれば、特に、PTV計測による無重力乃至微小重力下での燃料液滴間の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりを測定するための新規かつ好適な気流追跡装置、及び該装置を用いた燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法が提供される。
Therefore, the object of the present invention is to easily and accurately analyze the behavior of specific fine particles, and in particular, to analyze the behavior of specific fine particles easily and accurately considering the correlation with neighboring similar particles by the PTV method. Combustion propagation analysis and flame spread that overcomes the constraints imposed on the seed conditions unique to the PTV method by removing only very coarse particles and providing only fine particles of uniform particle size to the marker for measurement. And a test method for a flame propagation mode of a fuel using the apparatus.
Another object of the present invention is to analyze the combustion propagation between fuel droplets under zero gravity or microgravity and to analyze the flame propagation of liquid fuel and the flame spread measurement device suitable for measuring flame spread. An object of the present invention is to provide a method for testing a flame propagation mode of a fuel using the apparatus.
According to the present invention, in particular, a novel and suitable airflow tracking device for analyzing combustion propagation between fuel droplets under zero gravity or microgravity by PTV measurement and measuring flame spread, and fuel liquid using the device A test method of flame propagation mode by PTV measurement between droplet particles is provided.

本発明においては、燃料液滴列の火炎燃え広がりにおける液滴の列方向移動に着目し,3燃料液滴列(固定―固定―列方向移動可能)という一次元の単純なモデルを用いて実験を行うべく、そのために適し、列方向移動を可能にする第三懸垂線に振り子機構を有する測定装置を鋭意検討の結果開発し、また、これを用い、通常重力場および微小重力場で火炎燃え広がり試験方法の実験の結果と燃え広がりによって生じる液滴周囲の流れをPTV(Particle Tracking Velocimetry;粒子追跡流速測定法)計測した結果に基いて、新規かつ優れた燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法を発明するに到った。   In the present invention, focusing on the movement of the droplets in the direction of the flame spread of the fuel droplet row, an experiment was conducted using a simple one-dimensional model of three fuel droplet rows (fixed-fixed-movable in the row direction). As a result, we have developed a measurement device with a pendulum mechanism in the third catenary line that is suitable for that purpose and enables movement in the row direction. Using this, we have developed a flame spread test in normal and microgravity fields. Based on the results of the method experiment and the results of PTV (Particle Tracking Velocimetry) measurement of the flow around the droplet caused by the spread of flame, a new and excellent flame propagation mode by PTV measurement between fuel droplet particles It came to invent the test method of this.

而して、上記目的は、本発明の(1)「(a)ハウジング内又は仕切空間内に、(b)列状に複数の模擬懸垂液滴核が取り付けられた懸垂線を支持する懸垂線支持台と、(c)前記複数の模擬懸垂液滴核に液体燃料を供給して該模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜を形成することにより模擬液滴を生成するための液滴生成装置と、(d)少なくとも前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域にトレーサ粒子雲を供給するためのトレーサ粒子供給装置と、(e)点火装置とを有し、かつ、前記ハウジング若しくは仕切空間内に又は外に(f)光学測定系と、(g)それらを制御するシーケンサ、を有する燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置であって、前記(d)トレーサ粒子供給装置が、トレーサ粒子源からニューマチック供給するトレーサ粒子供給路の途中で、該トレーサ粒子中の粗大粒子を除去して、粒径の揃った粒子のみを前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域に供給するための(d1)トレーサ粒子選別手段を有するものであることを特徴とする燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置」により達成される。   Thus, the object of the present invention is (1) “(a) a catenary line supporting a catenary line in which a plurality of simulated suspended droplet nuclei are attached in a row in the housing or partition space of the present invention. And (c) droplet generation for generating simulated droplets by supplying liquid fuel to the plurality of simulated suspended droplet nuclei and forming a film of liquid fuel on the simulated suspended droplet nuclei. An apparatus, (d) a tracer particle supply device for supplying a tracer particle cloud to a region where a film of liquid fuel is formed on at least the plurality of simulated suspended droplet nuclei, and (e) an ignition device And a combustion propagation analysis and flame spread measurement device having (f) an optical measurement system and (g) a sequencer for controlling them in or outside the housing or partition space, wherein (d) the tracer The particle feeder is connected to the tracer particle source A region in which liquid particles are formed on the plurality of suspended suspended droplet nuclei by removing coarse particles in the tracer particles in the middle of the tracer particle supply path for supplying the matic, and only particles having a uniform particle size are formed. (D1) Combustion analysis and flame burn spread measuring device characterized by having a tracer particle sorting means for supplying to (1).

また、上記目的は、本発明の(2)「前記(a)ハウジング又は仕切空間を形成する材料が、光透過性材料であることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(3)「前記(b)懸垂線支持台は、点火装置に近い方から順に、第一固定懸垂液滴、第二固定懸垂液滴、第三移動懸垂液滴が取り付けられた懸垂線を支持するものであることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(4)「前記(b)懸垂線支持台に支持される懸垂線は、一部が前記複数の模擬懸垂液滴核のうちの一部を懸垂線支持台に振り子運動しないように支持し、その余の模擬懸垂液滴核を振り子運動可能に支持する炭化珪素の太さ20μm以下の細線であり、該複数の模擬懸垂液滴核の間隔は調節自在であることを特徴とする前記第(3)項に記載の測定装置」;
(5)「前記複数の模擬懸垂液滴核が直径30〜800μmのセラミック球で、前記懸垂線又は懸垂線支持台に架け替え可能であることを特徴とする前記第(3)項に記載の測定装置」;
(6)「前記(c)液滴生成装置が、空気スライドステージ,液体燃料容器、燃料送り装置、燃料供給管,黄銅細管及び調節装置から構成され,シーケンサによって電磁弁をON / OFF することにより、空気スライドステージの前進・後進が制御されるものであることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(7)「前記燃料送り装置は、前記燃料供給管から前記黄銅細管へ導かれた燃料を噴射するマイクロシリンジとこれに接続しボールねじを介して燃料を模擬懸垂液滴に送り出すボールを有することを前記第(6)項に記載の測定装置」;
(8)「前記(c)液滴生成装置に生成される模擬液滴が、直径150〜1600μmであることを前記第(1)項又は第(6)項のいずれかに記載の測定装置」;
(9)「前記(d)のトレーサ粒子供給装置が、体積平均粒径0.05〜12.0μmのシリカ粒子を貯蔵する粒子タンクと、粒子供給管と、粒子雲吐出管とを有し、該粒子雲吐出管には、エアータンクとレギュレータと、ソレノイドバルブと、流量コントローラとを介して粒子供給管に送気して粒子雲を形成するための送気管を有し、また、該粒子雲吐出管の先端は、前記燃料供給のための黄銅細管の直下に位置することを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(10)「前記(d1)トレーサ粒子選別手段の近傍に、さらに、粒度分布測定装置を有することを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(11)「前記(e)点火装置は、直流電源からの電圧をステップアップするための昇圧トランスを含む点火電力回路を有し、点火装置へのトリガー出力を点火装置と直結したときの点火装置からのノイズがシーケンサやその他の障害を避けるためのリレーを介してシーケンサにより制御される電気火花点火装置であることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(12)「前記(f)光学測定系が、レーザーフィルム照射手段と、ハイスピードビデオカメラ又はCCDアレイを有するCCDデジタルカメラとを有するものであることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」:
(13)「前記(g)シーケンサは、CPU ユニット,増設出力ユニット,電源ユニットから成り、スイッチボックスと共に制御装置を構成し、ステッピングモータ、電磁弁、点火装置および前記光学測定系を制御するものであることを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」;
(14)「装置全体を覆うカプセルと、該カプセルを落下塔に引き揚げるためのカプセル揚場手段と、該カプセル揚場手段から該カプセルを切り離して該カプセルを自由落下させるためのカプセル切離手段と、落下した該カプセルを受け止めた際に衝撃力を緩衝させる緩衝手段とを有する微小重力付与手段をさらに有することを特徴とする前記第(1)項に記載の測定装置」により達成される。
In addition, the above object is (2) “the measuring device according to (1) above, wherein the material forming the (a) housing or partition space is a light-transmitting material”. ;
(3) “(b) The catenary support stand supports the catenary line to which the first fixed suspended droplet, the second fixed suspended droplet, and the third moving suspended droplet are attached in order from the side closer to the ignition device. The measuring device according to item (1), characterized in that:
(4) "(b) The catenary line supported by the catenary support base partially supports a part of the plurality of simulated suspended droplet nuclei so as not to perform pendulum movement on the catenary support base, A thin wire of silicon carbide having a thickness of 20 μm or less that supports the remaining suspended suspended droplet nuclei so as to be capable of pendulum movement, and the interval between the plurality of suspended suspended droplet nuclei is adjustable. Measuring device according to item 3);
(5) “The plurality of simulated suspended droplet nuclei are ceramic spheres having a diameter of 30 to 800 μm and can be replaced with the suspended line or the suspended line support base” measuring device";
(6) “(c) The droplet generating device is composed of an air slide stage, a liquid fuel container, a fuel feeding device, a fuel supply pipe, a brass thin tube, and a regulating device, and the solenoid valve is turned ON / OFF by a sequencer. The measuring apparatus according to the item (1), wherein the forward / reverse movement of the air slide stage is controlled.
(7) “The fuel feeder has a microsyringe for injecting fuel guided from the fuel supply pipe to the brass thin tube, and a ball connected to the microsyringe and fed to the simulated suspended liquid droplet via a ball screw. As a measuring device according to item (6) above;
(8) “The measurement apparatus according to any one of the items (1) and (6), wherein the simulated droplet generated in the (c) droplet generation device has a diameter of 150 to 1600 μm” ;
(9) “The tracer particle supply device of (d) has a particle tank for storing silica particles having a volume average particle diameter of 0.05 to 12.0 μm, a particle supply pipe, and a particle cloud discharge pipe, The particle cloud discharge pipe has an air supply pipe for supplying air to the particle supply pipe via an air tank, a regulator, a solenoid valve, and a flow rate controller to form a particle cloud. The measuring device according to item (1), wherein a tip of the discharge pipe is located immediately below a brass thin tube for supplying the fuel.
(10) “Measuring device according to (1) above, further comprising a particle size distribution measuring device in the vicinity of the (d1) tracer particle sorting unit”;
(11) “(e) The ignition device includes an ignition power circuit including a step-up transformer for stepping up a voltage from a DC power source, and an ignition device when a trigger output to the ignition device is directly connected to the ignition device. The measurement apparatus according to (1) above, wherein the electric spark ignition device is controlled by the sequencer via a relay for avoiding noise from the sequencer and other obstacles;
(12) “(f) The optical measurement system includes laser film irradiation means and a high-speed video camera or a CCD digital camera having a CCD array. Measuring device ":
(13) “(g) The sequencer is composed of a CPU unit, an extension output unit, and a power supply unit, constitutes a control device together with a switch box, and controls a stepping motor, a solenoid valve, an ignition device, and the optical measurement system. The measuring device according to the item (1), characterized in that it exists;
(14) "Capsule covering the entire apparatus, capsule lifting means for lifting the capsule to a dropping tower, capsule separating means for separating the capsule from the capsule lifting means and allowing the capsule to fall freely, dropping This is achieved by the “measuring device according to item (1)” further including a microgravity applying unit having a buffer unit that buffers an impact force when the capsule is received.

さらにまた、上記目的は、本発明の(15)「前記(1)項乃至第(14)項のいずれか1に記載の測定装置を用い、前記(f)光学測定系により送信された気流画像の情報をコネクタによりモニタ用と記録用に分岐し、モニタ画像を目視により確認しながら録画・記録し、記録された気流画像を、必要に応じて2値化し、該2値化画像データを、必要に応じてメモリに呼出自在に格納して強調、平均化及び/又は選択からなる画像情報処理を実行し、該2値化画像データをグラフ化することを特徴とする燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法」により達成される。   Still further, the object is to provide an airflow image transmitted by the optical measurement system using the measuring device according to any one of (15) “(1) to (14)” of the present invention. This information is recorded and recorded while visually checking the monitor image, the recorded airflow image is binarized as necessary, and the binarized image data is It is stored in a memory so that it can be recalled as necessary, and image information processing consisting of emphasis, averaging and / or selection is executed, and the binary image data is graphed. This is achieved by the “flame propagation mode test method by PTV measurement”.

本発明によれば、特定微粒子の挙動を簡単且つ正確に解析することができ、特に、PTV法により、近隣の同様な粒子との相関を考慮した特定微粒子の挙動を簡単且つ正確に解析することができ、極く粗大粒子を簡単に除去して均一な粒径の微粒子のみを被測定用マーカーに供して、PTV法特有のシード条件に課せられる制約を克服した燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置、及び、該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法が提供される。
また、無重力乃至微小重力下での燃料液滴間の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりを測定するのに適した液体燃料の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置、及び該装置を用いた燃料の火炎伝播モードの試験方法が提供される。そして、この技術は、特に、PTV計測による無重力乃至微小重力下での燃料液滴間の燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりを測定するのに適した新規かつ好適な気流追跡装置、及び該装置を用いた燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法である。
According to the present invention, the behavior of specific fine particles can be analyzed easily and accurately. In particular, the behavior of specific fine particles can be easily and accurately analyzed in consideration of the correlation with similar similar particles by the PTV method. Combustion propagation analysis and measurement of flame spread by overcoming the restrictions imposed on the seed conditions unique to the PTV method, by removing very coarse particles easily and using only fine particles of uniform particle size as a marker for measurement. An apparatus and a method for testing a flame propagation mode of a fuel using the apparatus are provided.
Also, a combustion propagation analysis of liquid fuel suitable for measuring combustion propagation between fuel droplets under zero gravity or microgravity and measurement of flame spread, and a flame spread measurement device, and fuel flame propagation using the device A mode test method is provided. And this technique uses a new and suitable airflow tracking device suitable for analyzing combustion propagation between fuel droplets under zero gravity or microgravity by PTV measurement and measuring flame spread, and the device. This is a test method of flame propagation mode by PTV measurement between fuel droplet particles.

以下、図面に基いて本発明を詳細に説明する。
[通常重力場]
本発明は、微小重力場で行うのに適しているが、当初、重力実験の困難さを考え、通常重力場で基礎的なデータを得た後,目的を絞って微小重力試験のための実験を行い、本発明を完成するに至った。したがってここでは、最初に、通常重力場で使用する実験装置を、本発明の基礎として説明する.
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[Normal gravity field]
Although the present invention is suitable for performing in a microgravity field, initially considering the difficulty of gravity experiments, after obtaining basic data in a normal gravitational field, the experiments for microgravity tests were focused on the purpose. The present invention was completed. Therefore, here, first, an experimental apparatus used in a normal gravitational field will be described as the basis of the present invention.

[プロトタイプの測定装置]
本発明におけるプロトタイプの測定装置全体の概略を図1に示す.この装置は(a)ハウジング内又は仕切空間内に、(b)列状に複数の模擬懸垂液滴核が取り付けられた懸垂線を支持する懸垂線支持台と、(c)前記複数の模擬懸垂液滴核に液体燃料を供給して該模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜を形成することにより模擬液滴を生成するための液滴生成装置と、(d)少なくとも前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域にトレーサ粒子雲を供給するためのトレーサ粒子供給装置と、(e)点火装置とを有し、かつ、(f)前記ハウジング若しくは仕切空間内に又は外に光学測定系の高速度ビデオカメラ、(g)それらを制御するシーケンサ、を有する燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置であって、(d)前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域にトレーサ粒子雲を供給するためのトレーサ粒子供給装置は図示されていない。
[Prototype measuring device]
Fig. 1 shows the outline of the prototype measuring device in the present invention. The apparatus includes (a) a housing or a partition space, (b) a catenary support for supporting a catenary line with a plurality of simulated suspended droplet nuclei attached in a row, and (c) the plurality of simulated pendulums. A liquid droplet generator for supplying liquid fuel to the liquid droplet core and forming a film of liquid fuel on the simulated suspended liquid droplet core, and (d) at least the plurality of simulated suspensions A tracer particle supply device for supplying a tracer particle cloud to a region where a film of liquid fuel is formed on a droplet nucleus, and (e) an ignition device, and (f) in the housing or partition space A combustion propagation analysis and flame spread measurement device having (g) a high-speed video camera of an optical measurement system, (g) a sequencer for controlling them, and (d) on the plurality of simulated suspended droplet nuclei Tracer in the area where the liquid fuel film is formed The tracer particle feeder for feeding the child clouds not shown.

本発明の計測装置における炭化珪素の太さは、20μm以下の細線であることが好ましく、また、模擬懸垂液滴核が直径30〜800μmであることが好ましい。模擬懸垂液滴核の間隔は調節自在であり、模擬懸垂液滴核は、懸垂線又は懸垂線支持台に架け替え可能なものである。
燃料液滴は初期液滴直径d0=0.8mm±15%の範囲で同時に3個生成した。初期滴直径d0=0.3mmの液滴についても検討が行われた。点火装置には電気火花点火を用い,液滴に対する加熱の影響を最小限にする設定を行った。液滴生成装置は,エアースライドステージとそれを制御する流量調節弁より構成されている。図2に示すように、点火装置に近い方から第一固定懸垂液滴,第二固定懸垂液滴,第三移動懸垂液滴が取り付けられている。第一液滴は,火花点火による擾乱が現象に与える影響を抑制するために設けられている。点火する場合,第三液滴の振り子の振動が減衰してから行われる。第三懸垂線にY字の振り子が用いられている。光学測定装置は,バックライトとイメージインテンシファイア付き高速度カメラによって構成されており,液滴の輪郭像と火炎の自発光像を連続画像として記録することができる。外部の対流を遮断するため,中核部はアクリル板のハウジングで囲われている。
The thickness of the silicon carbide in the measuring device of the present invention is preferably a thin line of 20 μm or less, and the simulated suspended droplet nucleus is preferably 30 to 800 μm in diameter. The interval between the simulated suspended droplet nuclei is adjustable, and the simulated suspended droplet nuclei can be replaced with a suspended line or a suspended line support.
Three fuel droplets were generated at the same time within the initial droplet diameter d0 = 0.8 mm ± 15%. A study was also made on a droplet having an initial droplet diameter d0 = 0.3 mm. Electric spark ignition was used as the ignition device, and the setting was made to minimize the effect of heating on the droplets. The droplet generator is composed of an air slide stage and a flow control valve that controls the air slide stage. As shown in FIG. 2, the first fixed suspended droplet, the second fixed suspended droplet, and the third moving suspended droplet are attached from the side closer to the ignition device. The first droplet is provided to suppress the influence of disturbance caused by spark ignition on the phenomenon. When ignition is performed, the vibration of the pendulum of the third droplet is attenuated. A Y-shaped pendulum is used for the third catenary. The optical measuring device is composed of a backlight and a high-speed camera with an image intensifier, and can record a contour image of a droplet and a self-luminous image of a flame as a continuous image. In order to block external convection, the core is surrounded by an acrylic plate housing.

[懸垂線]
第一懸垂線,第二懸垂線および第三Y 字懸垂線には耐熱性・強度・質量などを考慮し線径15μmの炭化珪素線が使用さあれている。図3に第三Y字懸垂線を示す。炭化珪素線をY字型に加工することにより列方向の移動のみに移動できるようにされている。また,懸垂線の支持部には振り子運動の抵抗にならないように輪を設け,支持部からの反力を最小限にしている.炭化珪素線の接合部には瞬間接着剤を用いて接合した。また,燃焼による熱を受けて瞬間接着剤が燃焼することを防ぐため,接合部はセラミックで覆われている。この例の装置においては、その際、接合部の質量が多くなって液滴移動を妨げないよう,直径約200μm の大きさで製作された。Y字懸垂線の長さは、振り子の周期を長くするためと液滴生成の容易さを考慮し30 mmとされている。懸垂線の先端には燃料液滴を支持するためにセラミック球が用いられている。セラミックの直径は計測に使用する液滴直径により変化させ,液滴直径0.8 mm の場合には約200μm,液滴直径0.3 mm の場合には約50μm のものが用いられている。
[Catch line]
In consideration of heat resistance, strength, and mass, silicon carbide wires with a wire diameter of 15 μm are used for the first, second, and third Y-suspension wires. FIG. 3 shows a third Y-shaped catenary line. By processing the silicon carbide wire into a Y shape, it can be moved only in the column direction. In addition, the support part of the catenary line is provided with a ring so as not to resist the pendulum movement, and the reaction force from the support part is minimized. It joined using the instantaneous adhesive agent to the junction part of the silicon carbide wire. In addition, the joint is covered with ceramic to prevent the instantaneous adhesive from burning due to heat from combustion. The device of this example was manufactured with a diameter of about 200 μm so that the mass of the joint would not increase and prevent droplet movement. The length of the Y-shaped suspension line is set to 30 mm in order to increase the period of the pendulum and considering the ease of droplet generation. A ceramic sphere is used at the tip of the catenary line to support the fuel droplets. The diameter of the ceramic is changed according to the diameter of the droplet used for measurement. The diameter of the ceramic is about 200 μm when the droplet diameter is 0.8 mm, and about 50 μm when the droplet diameter is 0.3 mm.

[液滴生成装置]
図4には、この例の計測装置における液滴生成装置の概略を示す。この液滴生成装置は,空気スライドステージ、燃料供給管、黄銅細管、調節装置、から構成され、空気スライドステージの前進・後進の制御はシーケンサによって電磁弁をON / OFF することにより行われる。
[Droplet generator]
FIG. 4 shows an outline of a droplet generation device in the measurement apparatus of this example. This droplet generating device is composed of an air slide stage, a fuel supply pipe, a brass thin tube, and an adjusting device. The forward / backward control of the air slide stage is performed by turning on / off the electromagnetic valve by a sequencer.

[マイクロシリンジ]
本装置では容量250 μ. のマイクロシリンジが用いられた。三本のマイクロシリンジはそれぞれ第一,第二および第三懸垂液滴に割り当てられ、燃料供給管により黄銅細管へ接続されている。マイクロシリンジ内の燃料はステッピングモータによりボールねじを介し押し出される。
[Micro syringe]
A micro-syringe with a capacity of 250 μ. Was used in this device. Three microsyringes are assigned to the first, second and third suspended droplets, respectively, and are connected to a brass tube by a fuel supply tube. The fuel in the microsyringe is pushed out via a ball screw by a stepping motor.

[燃料供給管から黄銅細管]
マイクロシリンジから押し出された燃料は、燃料供給管を通り黄銅細管より液滴として吐出される。この例の装置における燃料供給管は材料SUS304,内径0.4mm,外径0.6mmである。液滴を生成するため、先の細い管が必要であり細いほど小さな液滴を生成することができる。そこで黄銅細管として黄銅製,内径0.04 mm,外径0.1 mm の管がこの例では用いられている。黄銅細管と燃料供給管の接合には,黄銅細管を10mm ほど切り、燃料供給管の先端へ半田を用いて接合されている。
[Brass tubule from fuel supply pipe]
The fuel pushed out from the microsyringe passes through the fuel supply pipe and is discharged as droplets from the brass thin tube. The fuel supply pipe in the apparatus of this example is made of material SUS304, an inner diameter of 0.4 mm, and an outer diameter of 0.6 mm. In order to generate liquid droplets, a thin tube is necessary, and a smaller liquid droplet can be generated. Therefore, a brass tube with an inner diameter of 0.04 mm and an outer diameter of 0.1 mm is used in this example. The brass tube and fuel supply tube are joined by cutting the brass tube about 10 mm and joining the tip of the fuel supply tube with solder.

[ステッピングモータおよびモータドライバ]
この例の計測装置で採用されたステッピングモータの仕様を表1に、モータドライバの仕様を表2に示す。シーケンサからの信号を受けたモータドライバは,ステッピングモータを駆動し、マイクロシリンジ内の燃料を一定量押し出す。
[Stepping motor and motor driver]
Table 1 shows the specifications of the stepping motor employed in the measuring apparatus of this example, and Table 2 shows the specifications of the motor driver. Upon receiving the signal from the sequencer, the motor driver drives the stepping motor to push out a certain amount of fuel in the microsyringe.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

Figure 2005265486
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[黄銅細間の調節装置]
図5の写真には、黄銅細管が示される。懸垂線に燃料液滴を生成するには、黄銅細管が懸垂線へわずかに触れている状態が必要である。そのため,懸垂線の先端と黄銅細管の微小な距離を調節するため,光学系の調節に用いられている装置を改良し使用している。
[Brass interstitial adjustment device]
The photograph of FIG. 5 shows a brass tubule. In order to generate fuel droplets on the catenary line, it is necessary that the brass tube is slightly touching the catenary line. Therefore, in order to adjust the minute distance between the tip of the catenary wire and the brass tube, the device used for adjusting the optical system is improved and used.

[エアースライドステージ]
表3にエアースライドステージの仕様を示す。過去の装置では、ロータリーソレノイドを用いて黄銅細管を移動し、液滴の生成を行っていた。このような従来装置は、微調整が効かないこと、複数の燃料液滴を同時に生成することはできないこと、黄銅細管や懸垂線を破損する恐れがあることなどの問題があった。そこで、この例の装置では、エアースライドステージを用いて黄銅細管の移動を行うことにした。また、スピード調整バルブにより,ステージの前進・後進の移動速度が調整できようにされている。
[Air slide stage]
Table 3 shows the specifications of the air slide stage. In past apparatuses, a brass capillary was moved using a rotary solenoid to generate droplets. Such a conventional apparatus has problems such as that fine adjustment is not effective, a plurality of fuel droplets cannot be generated at the same time, and that brass capillaries and suspension lines may be damaged. Therefore, in the apparatus of this example, the brass tubule is moved using an air slide stage. The speed adjustment valve can adjust the moving speed of the stage forward and backward.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

[点火装置]
本例の装置では点火装置に火花点火を用いており,点火装置は電極,火花発生回路およびDC12V のバッテリーで構成されている。電極には線径0.2 mm の白金線が用いられている。電極の火花間隔は約1 mm であり、電極の先端は懸垂線から約1 mm の位置に設置されている。点火は、通常、第一液滴に対してのみ行なわれる。
図6に点火回路を示す。この回路は一次コイルと二次コイルとが電磁的に結合している。一次側の断続器が続の状態で電流を流し、断続器を断の状態でこの電流を遮断する。断続器には並列にコンデンサが接続されているので、一次コイルの自己誘導とともに一つの電気振動回路を形成する。一次コイルの急激な電流変化に対応して二次コイルには高電圧が発生し、二次側に接続した火花間隙に放電が起こる。また、一次コイル側に可変抵抗を用いることにより、二次コイルの点火エネルギーの制御を行うことができ、この例では実際そのようになっている。これら2 つの回路をあわせて点火回路とし、電源には12 V のバッテリーが用いられている。
[Ignition device]
In the device of this example, spark ignition is used as an ignition device, and the ignition device is composed of an electrode, a spark generation circuit, and a DC12V battery. A platinum wire with a wire diameter of 0.2 mm is used for the electrode. The spark distance between the electrodes is about 1 mm, and the tip of the electrode is located about 1 mm from the catenary. Ignition is usually performed only on the first droplet.
FIG. 6 shows the ignition circuit. In this circuit, the primary coil and the secondary coil are electromagnetically coupled. A current is passed while the primary interrupter is connected, and this current is interrupted when the interrupter is disconnected. Since the capacitor is connected in parallel to the interrupter, an electric vibration circuit is formed together with the self-induction of the primary coil. A high voltage is generated in the secondary coil in response to a sudden current change in the primary coil, and a discharge occurs in the spark gap connected to the secondary side. Further, by using a variable resistor on the primary coil side, it is possible to control the ignition energy of the secondary coil, which is actually the case in this example. These two circuits are combined into an ignition circuit, and a 12 V battery is used as the power source.

[制御装置]
制御装置は、シーケンサとスイッチボックスから構成されている。この例の計測装置の場合、シーケンサが制御する装置は、ステッピングモータ、電磁弁、点火装置およびハイスピードカメラである。
[Control device]
The control device is composed of a sequencer and a switch box. In the case of the measuring device of this example, devices controlled by the sequencer are a stepping motor, a solenoid valve, an ignition device, and a high-speed camera.

[シーケンサ]
シーケンサはCPU ユニット,増設出力ユニット,電源ユニットから構成されている。この例の装置の場合、CPU ユニットだけでは出力数が不足するため、増設出力ユニットが付加さあれている。シーケンサはモータドライバに対し、回転量を決定する。出力パルス数を回転速度に対応する周波数の信号で送り、ステッピングモータを動かす。この例で使用しているプログラムは、出力パルス数を10 パルス単位で変化させることができる。周波数は出力パルス数の10 分の1 に設定されている。パーソナルコンピュータをCPU ユニットに接続することによって、内部プログラムの書き換え・読み出し、プログラムのリアルタイムモニタリングおよびトリガー信号の出力などを行うことができる。またスイッチボックスにより、パルス出力等の設定値も変更することができる。CPU ユニットの仕様を表4 に示す。増設出力ユニットは点火装置,高速度カメラ,電磁弁にトリガー信号を出力している。
[Sequencer]
The programmable controller consists of a CPU module, extension output unit, and power supply unit. In the case of the device in this example, an additional output unit is added because the number of outputs is insufficient with the CPU unit alone. The sequencer determines the amount of rotation for the motor driver. The number of output pulses is sent by a signal having a frequency corresponding to the rotation speed, and the stepping motor is moved. The program used in this example can change the number of output pulses in units of 10 pulses. The frequency is set to 1/10 of the number of output pulses. By connecting a personal computer to the CPU unit, it is possible to rewrite / read internal programs, monitor programs in real time, and output trigger signals. Also, the set value such as pulse output can be changed by the switch box. Table 4 shows the specifications of the CPU module. The extension output unit outputs a trigger signal to the ignition device, high-speed camera, and solenoid valve.

Figure 2005265486
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Figure 2005265486
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〔スイッチボックス〕
図7には、スイッチボックスの概略,内部回路が示される。また表5には、この例の計測装置におけるシーケンサとの配線が示される。スイッチボックスは,シーケンサとの信号の入出力を行うケーブル,シーケンサにトリガーを送るスイッチ、各装置の状態や設定値を示すためのLED,各装置へ信号を送るための端子によって構成されている。
このスイッチボックスにより,ステッピングモータへの出力パルス数,運転周波数を容易に変化させることができる。さらに,LED を用いることによって、現在の状態が一目でわかり、計測時の操作を確実にすることが可能となっている。また、シーケンサからのパルス出力をピエゾ素子へ与えることにより、スイッチを押したときに音を発することができるようになっているため、誤操作の防止につながっている。
〔Switch box〕
FIG. 7 shows an outline of the switch box and an internal circuit. Table 5 shows wiring with a sequencer in the measurement apparatus of this example. The switch box is composed of a cable for inputting / outputting signals to / from the sequencer, a switch for sending a trigger to the sequencer, an LED for indicating the status and set value of each device, and a terminal for sending a signal to each device.
With this switch box, the number of output pulses to the stepping motor and the operating frequency can be easily changed. Furthermore, by using LEDs, the current state can be seen at a glance, and operations during measurement can be ensured. In addition, by supplying a pulse output from the sequencer to the piezo element, a sound can be emitted when the switch is pressed, which leads to prevention of erroneous operation.

Figure 2005265486
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さらに、点火装置へのトリガー出力を点火装置と直結してしまうと、点火装置からのノイズがシーケンサやその他の障害となるため、シーケンサと点火装置の間にリレーが設けられている。 この例の計測装置におけるスイッチボックスの使用法は以下のとおりである。本発明においてはこれは単なる1例であり、無論、他の態様のものにすることができる。
1. スイッチボックスでトリガー出力を行うためには,まずメインメニューを選択する.メインメニューでは『A』『B』『C』のボタンを選択することができる。それぞれのボタンは『1』 『2』 『3』のLED へ対応している。点灯しているランプに対応したボタンを押すと消灯する。
2. スイッチボックスでは、『1』『2』『3』のランプの点灯パターンにより、『A』『B』『C』以外のボタンのシーケンサへの命令を変えている。つまり、『1』のランプのみが点灯している場合に『OK』ボタンを押して起こる動作と、『1』と『2』のランプが点灯している場合に『OK』ボタンを押して起こる動作とは異なる。
3. 3つのランプの組み合わせによりメインメニューの設定は7つに分けられる。この例の装置で使用している点灯パターンは『1』のみ点灯、『1』『2』が点灯、『2』『3』が点灯、『3』のみが点灯の4つの設定である。4. ステッピングモータへ出力するパルス数を設定する場合は『3』のみが点灯している状
態にする。パルス数設定メニューでは、『X』『Y』『Z』ボタンにより、パルス数を決定する。『X』が10 の位,『Y』が100 の位,『Z』が1000 の位にそれぞれ対応しており、1回押すごとにその値が足されていく。たとえば,『X』を5 回、『Y』を2 回、『Z』を3 回押した場合のパルス数は3250 である。また、運転周波数はこの数値を共有しており、3250pps となる。
さらに、〈設定した値/10pps〉の値を起動停止周波数、〈設定した値/10pps〉を加減速時間とし台形制御を行っている。設定した値でのモータ動作は、『OK』ボタンを押すことにより開始される.
5. 『2』『3』のランプを点灯させるとステッピングモータ定速運転させることができる。このメニューでは,動き出したモータは『QUIT』ボタンを押さない限り止らない。定速運転メニューでは、サブメニューの選択を必要とする。サブメニューはメインメニューと同様で、対応するボタンのランプが『X』−『I』,『Y』−『II』,『Z』−『III』と変化しただけである。
サブメニューランプを点灯させることにより、モータの回転方向、回転速度が決まる。。回転方向を決めるのが『III』ランプである。このランプが消えていると正回転、点灯していると逆回転で運動する。回転速度を決定するのが『I』、『II』ランプである。『I』ランプが点灯の場合は低速回転、『II』ランプが点灯の場合は中速回転、『I』,『II』ランプがともに点灯している場合は高速回転でモータは運動する。また、モータが前進しすぎる場合、自動停止する安全装置が設置されている。
6. 『1』『2』のランプが点灯している場合には、計測を行うことができる。『X』『Y』『Z』『OK』のそれぞれが、『X』→電磁弁、『Y』→ステッピングモータ、『Z』→点火装置,『OK』→高速度カメラに対応しており、ボタンを押すたびにトリガーが出力される。ただし、電磁弁の場合、1度目でON、2度目でOFF となる。さらに安全のため、ステージが前進している場合には点火装置を作動させることはできない。
7. 『1』のランプが点灯している場合では、1つのボタンで測定を行うことができる。『OK』ボタンを押すごとに、ステージを前進→液滴を生成→ステージを後退→点火→高速度カメラへトリガー入力、を行う。この途中『QUIT』ボタンを押すことにより、測定をリセットすることができるほか、点火したにも関わらず液滴が燃焼しない場合に,カメラのトリガーを入れる前ならば、『X』ボタンで何度も点火装置にトリガーを送ることができる。
Furthermore, if the trigger output to the ignition device is directly connected to the ignition device, noise from the ignition device becomes a sequencer and other obstacles, so a relay is provided between the sequencer and the ignition device. The usage of the switch box in the measuring apparatus of this example is as follows. In the present invention, this is merely an example, and of course, other embodiments can be used.
1. To perform trigger output with the switch box, first select the main menu. In the main menu, the “A”, “B”, and “C” buttons can be selected. Each button corresponds to “1” “2” “3” LED. Pressing the button corresponding to the lit lamp turns off.
2. In the switch box, the command to the sequencer of buttons other than “A”, “B” and “C” is changed according to the lighting pattern of the lamps “1”, “2” and “3”. In other words, when only the “1” lamp is lit, the operation that occurs when the “OK” button is pressed, and when the “1” and “2” lamps are lit, the operation that occurs when the “OK” button is pressed. Is different.
3. The main menu settings are divided into seven according to the combination of the three lamps. The lighting pattern used in the apparatus of this example has four settings: only “1” is lit, “1” and “2” are lit, “2” and “3” are lit, and only “3” is lit. 4. When setting the number of pulses to be output to the stepping motor, make sure that only “3” is lit. In the pulse number setting menu, use the “X”, “Y” and “Z” buttons to determine the number of pulses. “X” corresponds to the 10th place, “Y” corresponds to the 100th place, and “Z” corresponds to the 1000th place. The value is added each time the key is pressed. For example, if “X” is pressed 5 times, “Y” is pressed 2 times, and “Z” is pressed 3 times, the number of pulses is 3250. The operating frequency shares this value and is 3250pps.
Furthermore, trapezoidal control is performed with the <set value / 10pps> value as the start / stop frequency and the <set value / 10pps> as the acceleration / deceleration time. The motor operation with the set value is started by pressing the “OK” button.
5. The stepping motor can be operated at a constant speed by turning on the lamps “2” and “3”. In this menu, the motor that has started moving will not stop unless the “QUIT” button is pressed. The constant speed operation menu requires selection of a submenu. The sub menu is the same as the main menu, and the lamps of the corresponding buttons are changed as “X”-“I”, “Y”-“II”, “Z”-“III”.
By turning on the sub menu lamp, the rotation direction and rotation speed of the motor are determined. . The "III" lamp determines the direction of rotation. When this lamp is off, it moves in the forward direction, and when it is lit, it moves in the reverse direction. The “I” and “II” lamps determine the rotation speed. The motor moves at low speed when the “I” lamp is lit, at medium speed when the “II” lamp is lit, and at high speed when both the “I” and “II” lamps are lit. In addition, a safety device that automatically stops when the motor moves too far is installed.
6. When “1” and “2” lamps are lit, measurement can be performed. Each of “X” “Y” “Z” “OK” corresponds to “X” → solenoid valve, “Y” → stepping motor, “Z” → ignition device, “OK” → high speed camera, A trigger is output each time the button is pressed. However, in the case of a solenoid valve, it is turned on at the first time and turned off at the second time. Furthermore, for safety, the ignition device cannot be operated when the stage is moving forward.
7. When “1” lamp is lit, measurement can be performed with one button. Every time the “OK” button is pressed, the stage is advanced, the droplet is generated, the stage is moved backward, the ignition is performed, and a trigger is input to the high-speed camera. During this time, you can reset the measurement by pressing the “QUIT” button. If the droplet does not burn despite being ignited, you can press the “X” button several times before turning on the camera trigger. Can also send a trigger to the igniter.

[プログラム]
本装置例では、プログラム言語としてラダー言語が使用されている。ラダー言語のラダーとは「はしご」を意味し、デバイス間のつながりを感覚的に示す。また,プログラムの深い知識を必要としないユーザーでも簡単に使用できるよう工夫された言語である。ラダー作成のエディタは付属ソフトである「Ladder Builder 」を使用した。
図8には、計測で実際に使用した一部のプログラムが示される。
[program]
In this apparatus example, a ladder language is used as a program language. Ladder language ladder means "ladder" and shows the connection between devices sensuously. It is also a language designed to be easily used by users who do not require deep knowledge of the program. Ladder creation editor is “Ladder Builder” which is included software.
FIG. 8 shows some programs actually used in the measurement.

[高速度カメラ]
現象を観察する手段として高速度カメラが好適に使用される。本装置例で採用された高速度カメラはナックイメージテクノロジー製のMEMRICAMciである。この高速度カメラの仕様を表6に示す.撮影速度は毎秒30 〜 2000 フレームであり、プリ/センター/ポスト・トリガーでの連続記録が可能である。また、カラーでのライブ撮影および録画が可能である。実際の計測例においては、撮影速度を毎秒1000 フレームに設定し、撮影された。高速度カメラに録画した画像は、実験終了後、ビデオテープレコーダーに記録し画像データとした。
[High speed camera]
A high-speed camera is preferably used as a means for observing the phenomenon. The high-speed camera used in this example is MEMRICAMci made by NAC Image Technology. Table 6 shows the specifications of this high-speed camera. The shooting speed is 30 to 2000 frames per second, and continuous recording with pre / center / post trigger is possible. Also, live shooting and recording in color is possible. In the actual measurement example, the shooting speed was set to 1000 frames per second and the shot was taken. Images recorded on the high-speed camera were recorded on a video tape recorder after the experiment was completed, and used as image data.

Figure 2005265486
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[イメージインテンシファイア]
この例の装置においては、高速度カメラのみの撮影では青炎の発光が弱いため、火炎の燃え広がり現象を撮影することができない。そこで、イメージインテンシファイア(I.I.)を高速度カメラに取り付けることにより光を増幅し、現象を撮影した。また、高速度カメラと同期をとるため、高速度カメラからのストロボ出力をI.I.へ入力した。
[Image Intensifier]
In the apparatus of this example, since the emission of the blue flame is weak when only the high-speed camera is photographed, it is impossible to photograph the flame spread phenomenon. Therefore, the image was photographed by amplifying the light by attaching an image intensifier (II) to a high-speed camera. In order to synchronize with the high-speed camera, the strobe output from the high-speed camera was input to II.

図8には、この例の装置で実際に用いられたラダープログラムが示される。
また、高速度ビデオカメラの仕様として、I.I.は株式会社ナック製のILS を採用した。I.I.の仕様を表7および表8に示す。
FIG. 8 shows a ladder program actually used in the apparatus of this example.
In addition, as a specification for high-speed video cameras, II adopted ILS made by NAC Corporation. Tables 7 and 8 show the specifications of II.

Figure 2005265486
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[レコーダ]
CCD カメラや高速度ビデオカメラよって撮影された映像は,ビデオカセットレコーダによって録画することができる。ビデオカセットレコーダに録画する際は、カメラより送られてきた信号をコネクタによりモニタ用と録画用に分岐することで、モニタで確認しながら同時に録画を行うことができる。
[Recorder]
Video captured by a CCD camera or high-speed video camera can be recorded by a video cassette recorder. When recording on the video cassette recorder, the signal sent from the camera is branched for monitoring and recording by the connector, so that recording can be performed simultaneously while checking on the monitor.

この例の計測装置は、つぎのように用いることができる。
1. 装置の配線を行い,シーケンサとスイッチボックスをケーブルで接続する.スイッチボックスのPLS1 出力をモータドライバへ、OUTPUT1を電磁弁、OUTPUT2を高速度カメラ、OUTPUT5を点火装置,INPUT2を燃料供給装置の安全装置へそれぞれ接続する。
2. コンプレッサーに空気を充填し,空気スライドステージの動作を確認する.(数時間,ステージを動かしていない場合,急前進することがあるため)スライドステージの動作確認は,スイッチボックスの『A』ボタンおよび『B』ボタンを1度ずつ押し,メインメニューランプ『1』,『2』が点灯していることを確認して『X』ボタンを押す。また,前進したステージを後退させる場合,同様に『X』ボタンを押せばよい。また,必要に応じてスピード調節バルブの調整を行う。
3. マイクロシリンジへ燃料を充填し,黄銅細管の先から液滴が生成されることを確認する。
液滴が生成されない場合は,黄銅細管の付け替えを行う。長時間使用していな場合、銅
細管からSUS 管内までの燃料が蒸発してしまい液滴生成されないため注意を用する。
4. マイクロシリンジを燃料押し出し装置にセットし,液滴直径を設定するため,ステッピングモータのへの出力パルス数を決定する。出力パルス数の設定にはスイッチボックスのメインメニューランプとメインボタンの『3』が点灯している状態にする。この状態で『X』,『Y』,『Z』のボタンを押すことにより出力パルス数が決定され,所定の直径の液滴が生成される。
5. 懸垂線先端の列方向の位置を合わせる。ステージを前進させ黄銅細管と懸垂線先端の
位置の調節を行い,懸垂線に液滴を生成する.また,火花間隔と懸垂液滴の位置の調
節を行い,懸垂液滴に点火する。そして,液滴が燃焼することを確認する。(4)でステッピ
ングモータの回転数を設定した場合,メインメニューランプの『1』,『2』を点灯させた状態で『Y』ボタンを押すことにより,設定した値でステッピングモータを動かすことができる。さらに,この状態で『Z』ボタンを押すことで点火が行われる。ただし,安全のため,ステージが前進している場合はトリガーが入らず,『0』ランプが点灯し,エラーを伝える。
6. 高速度カメラの設定を行う。シャッター設定ノブをLock へ切り替え,モニタ上にシャッター設定がOPEN となっていることを確認する。また,トリガーをEND にし,毎秒1000 枚の撮影スピードに設定する。そして,I.I.と高速度カメラの高さを調節し接続する.部屋を暗くしてI.I.と高速度カメラのピントを合わせる。
7. I.I.のピントを懸垂線に合わせる.バックライトを徐々に明るくし,I.I.のゲインを調節する.この例の装置を用いた計測の場合のI.I.のゲインの値は50〜60 に設定した。
8. 風が入らないように装置の周りをアクリル板で覆い、ハウジングを形成した。すべての準備が整った後,計測開始前にシリンジ内の燃料を再充填しておく。
9. 計測を開始する。スイッチボックスのメインメニューランプ『1』,『2』を点灯させた状態にし,『X』ボタンでステージを前進,『Y』ボタンで液滴を生成,『X』ボタンでステージを後退,『Z』ボタンで液滴へ点火,液滴の燃焼が終わった後『OK』ボタンを押すことで,高速度カメラのトリガーが入り,現象の撮影を行う。
10. スイッチボックスの,メインメニューランプ『1』のみを点灯させた状態で『OK』ボタンを押すと、ボタンを押すごとに、ステージを前進→液滴を生成→ステージを後退→点火→高速度カメラへトリガー入力,が実行される。
11. 撮影した映像は,ビデオカセットレコーダへ保存し解析を行う。
The measuring device of this example can be used as follows.
1. Wire the equipment and connect the sequencer and switch box with a cable. Connect the PLS1 output of the switch box to the motor driver, connect OUTPUT1 to the solenoid valve, OUTPUT2 to the high-speed camera, OUTPUT5 to the ignition device, and INPUT2 to the safety device of the fuel supply device.
2. Fill the compressor with air and check the operation of the air slide stage. (Since the stage is not moved for several hours, it may move forward rapidly.) To check the operation of the slide stage, press the “A” button and “B” button of the switch box once, and the main menu lamp “1” , Confirm that “2” is lit and press the “X” button. Similarly, when the advanced stage is moved backward, the “X” button may be pressed. Also, adjust the speed control valve as necessary.
3. Fill the microsyringe with fuel and confirm that droplets are generated from the tip of the brass tube.
If no droplet is produced, replace the brass tube. Be careful when the fuel has not been used for a long time, because the fuel from the copper tube to the SUS tube evaporates and droplets are not generated.
Four. The microsyringe is set in the fuel pusher and the number of output pulses to the stepping motor is determined to set the droplet diameter. To set the number of output pulses, the main menu lamp of the switch box and “3” of the main button are lit. In this state, by pressing the “X”, “Y”, and “Z” buttons, the number of output pulses is determined, and a droplet having a predetermined diameter is generated.
Five. Align the position of the tip of the catenary line in the row direction. The stage is advanced to adjust the position of the brass tubule and the tip of the catenary wire, and a droplet is generated on the catenary wire. In addition, the spark interval and the position of the suspended droplet are adjusted to ignite the suspended droplet. And it confirms that a droplet burns. When the stepping motor speed is set in (4), the stepping motor can be moved at the set value by pressing the “Y” button with the “1” and “2” lights on the main menu lamp. it can. Further, ignition is performed by pressing the “Z” button in this state. However, for safety reasons, when the stage is moving forward, the trigger is not activated and the “0” lamp is lit to notify the error.
6. Set up the high-speed camera. Switch the shutter setting knob to Lock, and check that the shutter setting is OPEN on the monitor. Set the trigger to END and set the shooting speed to 1000 shots per second. Then, adjust the height of II and high-speed camera and connect. Darken the room and focus the II and high-speed camera.
7. Set the focus of II to the catenary line. Brighten the backlight gradually and adjust the gain of II. In the case of measurement using the apparatus of this example, the gain value of II was set to 50-60.
8. The device was covered with an acrylic plate to prevent wind from entering to form a housing. After everything is ready, refill the syringe with fuel before starting the measurement.
9. Start measurement. With the switch box main menu lamps “1” and “2” lit, move the stage forward with the “X” button, generate droplets with the “Y” button, move the stage backward with the “X” button, “Z” ”Button to ignite the droplet, and after the burning of the droplet is finished, press the“ OK ”button to trigger the high-speed camera and take a picture of the phenomenon.
Ten. When the "OK" button is pressed with only the main menu lamp "1" on the switch box turned on, each time the button is pressed, the stage is advanced-> droplets are generated-> the stage is retracted->ignition-> high-speed camera Trigger input is executed.
11. The captured video is stored in a video cassette recorder for analysis.

[計測方法]
計測は、つぎのように実行することができる。
1. ビデオカセットレコーダに保存した映像を確認する。
2. 撮影した映像には,予めタイムコードが挿入されている。そのタイムコードを用いて,
第三液滴の静止状態から一コマ毎(0.033 ms)の移動距離を割り出し,速度を求める。
3. 移動距離を求める際,原点を正確に決定し,一コマ毎の距離をノギスにてモニター上
で計測する。
4. x 方向の距離,初期液滴直径,液滴間隔,燃え広がり時間などを計測する。
[Measurement method]
The measurement can be performed as follows.
1. Check the video saved in the video cassette recorder.
2. The time code is inserted in the shot video in advance. Using that time code,
Determine the moving distance for each frame (0.033 ms) from the stationary state of the third droplet and determine the speed.
3. When determining the travel distance, determine the origin accurately and measure the distance for each frame on the monitor with a caliper.
4. Measure the distance in the x direction, the initial droplet diameter, the droplet spacing, and the spreading time.

[PTV 計測]
PTV(粒子画像流速測定法)について基本的な特徴について述べる.PTV システムの計測装置では,流れにトレーサ粒子が加えられる。トレーサ粒子は流れのある面内で微小時間間隔で二度照明される。トレーサ粒子からの散乱光はカメラにより,連続するフレームに記録される.光パルス間のトレーサ粒子変位は,PTV 画像を画像処理して求められる。PTV によって得られる膨大なデータを扱うため優れた後処理が必要となる。
[PTV measurement]
The basic features of PTV (particle image velocimetry) are described. In a PTV system instrument, tracer particles are added to the flow. The tracer particles are illuminated twice at a minute time interval in the flow plane. The scattered light from the tracer particles is recorded in successive frames by the camera. Tracer particle displacement between light pulses is obtained by image processing of PTV images. Excellent post-processing is required to handle the enormous amount of data obtained by PTV.

図9は、風洞実験でのPTV 画像記録のための代表的な装置例を示している。流れに微細なトレーサ粒子が加えられ,流れの中の断面がレーザシートにより二回照明される。二パルスの時間間隔は,平均流速および画像の撮影倍率に依存する.トレーサ粒子は二回の照明間に,局所流速にしたがって移動すると仮定される。数値化されたPTV 画像から,それぞれの粒子像の位置情報や,輝度,大きさといった付随情報を二値画像を用いて取得し,粒子の移動を解析する。複数時刻にわたり粒子像の移動方向が大きく変わらないことや,周囲の粒子像との相対位置関係が大きく変わらないことなどを利用して,複数時刻にわたる同一粒子を追跡する。局所流速ベクトルの光シート内成分,即ち二成分速度ベクトルが,二照明間の時間差と画像の倍率を考慮して求められる。このプロセスが,PTV 画像のすべての検査領域について繰り返される。流れ場の可視化研究について以下の報告がされている.   FIG. 9 shows a typical apparatus example for recording PTV images in a wind tunnel experiment. Fine tracer particles are added to the flow and the cross section in the flow is illuminated twice by the laser sheet. The time interval between two pulses depends on the average flow velocity and the image magnification. It is assumed that the tracer particles move according to the local flow velocity between the two illuminations. From the digitized PTV image, the position information of each particle image, and incidental information such as brightness and size are acquired using a binary image, and the movement of the particle is analyzed. Using the fact that the moving direction of the particle image does not change greatly over a plurality of times and the relative positional relationship with surrounding particle images does not change greatly, the same particles over a plurality of times are tracked. The component in the light sheet of the local flow velocity vector, that is, the two-component velocity vector is obtained in consideration of the time difference between the two illuminations and the magnification of the image. This process is repeated for all inspection areas of the PTV image. The following reports on flow field visualization research have been made.

深野らは火花点火式天然ガス機関の燃焼室内の流動が機関性能に及ぼす影響を把握することを目的に,燃焼室内の流動場の解明に取り組んだ(Y. Fukano, H. Hisaki, S. Kida, T. kadota, :火花点火式天然ガス機関の燃焼室内における流動特性,in Japanese, Journal of JSME,B, 64, (1998), 272-278)。CCD カメラによるPTV 法にイメージインテンシファイアを応用した高分解能流速計測法を構築し,それを用い燃焼室内における流動場を測定断面,測定クランク角を変え計測した。富松らは噴霧燃焼装置における輝炎を伴う内部流れをPIV(Particle Image Velocimetry,粒子画像流速測定法)計測する方法を示した。また,速度計測と同時に,噴霧燃焼火炎の構造についても観察を行うことで総合的に噴霧燃焼場を観察した(S. Tomimatsu, N. Fujisawa, and A. Hosokawa.:噴霧燃焼器における内部流のPIV 計測に関する研究, in Japanese ,The Visualization Society of Japan , 20, (2002),389-392)。   Fukano et al. (Y. Fukano, H. Hisaki, S. Kida) worked on elucidating the flow field in the combustion chamber in order to understand the effect of the flow in the combustion chamber of a spark ignition natural gas engine on the engine performance. , T. kadota,: Flow characteristics in a combustion chamber of a spark-ignition natural gas engine, in Japanese, Journal of JSME, B, 64, (1998), 272-278). A high-resolution flow velocity measurement method that applied an image intensifier to the PTV method using a CCD camera was constructed, and the flow field in the combustion chamber was measured by changing the measurement cross section and the measurement crank angle. Tomimatsu et al. Showed a method for measuring PIV (Particle Image Velocimetry) in a spray combustion system. In addition, the spray combustion field was comprehensively observed by observing the structure of the spray combustion flame simultaneously with the velocity measurement (S. Tomimatsu, N. Fujisawa, and A. Hosokawa. Research on PIV measurement, in Japanese, The Visualization Society of Japan, 20, (2002), 389-392).

これらのようにPIV,PTV 計測には燃焼装置内の可視化の報告が多い。しかしながら,燃料液滴列の燃え広がりにおける液滴周りの過渡的流れについての報告はない。通常重力場において,第三液滴に燃え広が起こる前に第三液滴が第二液滴から遠ざかる方向へ移動したことから,第一および第二液滴の燃え広がりによって生じる流れが第三液滴を移動させると考えられる.よって,本発明においては、1予備実験例として、燃え広がり時における第三液滴周りの流れ場の可視化を行った。その際に用いた実験配置は、図9に示される。   As described above, there are many reports of visualization in the combustion device for PIV and PTV measurement. However, there is no report on the transient flow around the droplet in the spread of the fuel droplet row. Usually, in the gravitational field, the third droplet moved away from the second droplet before the third droplet burned out, so the flow caused by the spreading of the first and second droplets was the third liquid. It is thought to move the drop. Therefore, in the present invention, as a preliminary experimental example, the flow field around the third droplet at the time of spreading the flame was visualized. The experimental arrangement used at that time is shown in FIG.

[本発明の計測装置例]
本発明の計測装置例の全体の概略を図10に示す。このPTV 計測装置は,前述の図1の装置に,光源である銅蒸気レーザ,光学系およびトレーサ粒子発生装置を新たに装着したものである。銅蒸気レーザは、最大出力4 mJ/pulse,パルス幅10 〜 40 ns である。銅蒸気レーザから照射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズを通ってシート状になり,反射鏡で反射された後,液滴の下方から上方に向かって照射される。可視化範囲でのレーザシート幅は0.2 mm である。図11に可視化範囲を示す。可視化範囲は第二液滴と第三液滴を含む図の点線で囲った範囲である。この例の装置を用いたPTV 計測においては,第三懸垂線を設置しなかった.第一液滴および第二液滴の無次元液滴間隔l は5.5 であり初期液滴直径do は0.8 mm である。光学測定にはイメージインテンシファイアを二段に接続してトレーサの散乱光を高速度カメラで撮影した。高速度カメラの露光時間は900μs,銅蒸気レーザ照射時間は10〜40 ns である。撮影速度は1000 fps とした。計測の際,外部からの対流を遮断するため,実験部をアクリル板で囲って、ハウジングを形成した。
[Example of measuring apparatus of the present invention]
The outline of the whole example of the measuring apparatus of this invention is shown in FIG. This PTV measuring device is a device in which a copper vapor laser as a light source, an optical system, and a tracer particle generator are newly mounted on the device shown in FIG. The copper vapor laser has a maximum output of 4 mJ / pulse and a pulse width of 10 to 40 ns. The laser light emitted from the copper vapor laser passes through the cylindrical lens to form a sheet, is reflected by the reflecting mirror, and then radiates upward from below the droplet. The laser sheet width in the visualization range is 0.2 mm. FIG. 11 shows the visualization range. The visualization range is a range surrounded by a dotted line in the drawing including the second droplet and the third droplet. In the PTV measurement using the device of this example, the third catenary line was not installed. The dimensionless droplet spacing l between the first and second droplets is 5.5 and the initial droplet diameter do is 0.8 mm. For optical measurement, the image intensifier was connected in two stages and the scattered light from the tracer was photographed with a high-speed camera. The exposure time of the high-speed camera is 900 μs, and the copper vapor laser irradiation time is 10 to 40 ns. The shooting speed was 1000 fps. In order to block convection from outside during measurement, the experimental part was surrounded by an acrylic plate to form a housing.

[タイムチャート]
同期箱と各装置の配線を図12に、タイムチャートを図13にそれぞれ示す。図13において、(1)(2)プルダウン式のトリガー信号をトリガースイッチによって同期箱に入力した。同期箱を介して高速度カメラにトリガー信号が入力される。(3)トリガー信号を受けた高速度カメラは1000 fps で画像を撮影し,ストロボ信号をI.I.に出力する。トリガー信号とストロボ信号の開始時刻は同じである。ストロボ信号を受信したI.I.は,0.04μs 遅れてシャッタを900μs 開く.(4)(5)ストロボ信号は同期箱を介して銅蒸気レーザにも出力される。銅蒸気レーザは0.04μs 遅れて照射時間10〜40ns のレーザを照射する。その瞬間, I.I.および高速度カメラはトレーサ粒子からの散乱光を受け取ることができる。
[Time chart]
The synchronization box and the wiring of each device are shown in FIG. 12, and the time chart is shown in FIG. In FIG. 13, (1) and (2) pull-down trigger signals are input to the synchronization box by the trigger switch. A trigger signal is input to the high-speed camera via the synchronization box. (3) The high-speed camera that receives the trigger signal takes an image at 1000 fps and outputs the strobe signal to II. The start time of the trigger signal and the strobe signal is the same. II receiving the strobe signal opens the shutter for 900μs with a delay of 0.04μs. (4) (5) The strobe signal is also output to the copper vapor laser through the synchronous box. The copper vapor laser emits a laser with an irradiation time of 10 to 40 ns with a delay of 0.04 μs. At that moment, II and high-speed cameras can receive the scattered light from the tracer particles.

[銅蒸気レーザ]
図14に銅蒸気レーザの概観を,表9に銅蒸気レーザの仕様を示す。微小なトレーサ
粒子からの散乱光によってビデオセンサーが露光されることから,粒子照明のための高出力光源が必要である。より良い光散乱効率を求めて大きな粒子を用いると流れに正確に追従しなくなるという矛盾が生じるからである。多くの応用では,レーザ出力とトレーサ粒子直径の条件を考慮して妥当な組み合わせが用いられる。本発明ではトレーサ粒子を極力小さくするため,高出力の銅蒸気レーザを選定した。
[Copper vapor laser]
FIG. 14 shows an overview of the copper vapor laser, and Table 9 shows the specifications of the copper vapor laser. Since the video sensor is exposed by scattered light from minute tracer particles, a high-power light source for particle illumination is required. This is because there is a contradiction that if a large particle is used in order to obtain a better light scattering efficiency, the flow cannot be accurately followed. In many applications, a reasonable combination is used taking into account the laser power and tracer particle diameter requirements. In the present invention, a high-power copper vapor laser was selected to make the tracer particles as small as possible.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

[トレーサ粒子]
表10 に、この例の装置で用いたトレーサ粒子の仕様を示す。トレーサ粒子は燃え広がりの過渡的流れを捉えるために、流体に対して追従性のよい直径を選定した。また,燃焼を伴う現象であるため,燃焼の熱によってトレーサ粒子が焼失しない物質を選ぶ必要があった.粒径1.5 μm,密度2.0 g/cm3 のSiO2 粒子を用いた。
[Tracer particles]
Table 10 shows the specifications of the tracer particles used in the apparatus of this example. The diameter of the tracer particles with good followability to the fluid was selected to capture the transient flow of the spread of the flame. In addition, because it is a phenomenon accompanied by combustion, it was necessary to select a substance that would not cause the tracer particles to burn off due to the heat of combustion. SiO2 particles with a particle size of 1.5 μm and a density of 2.0 g / cm3 were used.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

[トレーサ粒子供給装置]
トレーサ粒子発生装置の概略を図15に示す。トレーサ粒子の供給方法には種々の方法がある。最初,大粒径のトレーサ粒子を実験装置内部へ圧縮空気を用いて噴出することを試みたが、測定部での平均トレーサ粒子直径が100μm と大きく,流体の追従性が悪くなったため,新たなトレーサ粒子発生装置を開発した。トレーサ粒子発生装置は,超音波装置の振動を利用してトレーサ粒子を浮遊させる。その後ファンによってトレーサ粒子を送り出され,重力分級装置を経た後,実験装置内部に供給される。この種の粒径の微粒子の避けられない一般的な傾向として、トレーサ粒子は、中程度の粒径(個数平均粒径付近の粒径)の粒子の割合が多く、粒径が小さいものほど、及び、大きいものほど、含有率が少なくなる山型の粒度分布を示す(常に、理想的なガウジアン分布を示すとは限らず、いびつな山型であることも多い)が、悪影響を及ぼすのは主に大粒径の粒子である。重力分級装置を経た後、この大粒径の粒子の部分は取り除かれ、トレーサ粒子直径は平均2.9μm となった。
[Tracer particle feeder]
An outline of the tracer particle generator is shown in FIG. There are various methods for supplying the tracer particles. At first, an attempt was made to eject tracer particles with a large particle size into the experimental apparatus using compressed air. However, the average tracer particle diameter at the measurement unit was as large as 100 μm, and the fluid followability deteriorated. A tracer particle generator was developed. The tracer particle generator floats tracer particles using the vibration of an ultrasonic device. After that, the tracer particles are sent out by the fan, passed through the gravity classifier, and then supplied into the experimental device. As an inevitable general tendency of fine particles of this type, the tracer particles have a larger proportion of particles having a medium particle size (particle size near the number average particle size), and the smaller the particle size, And, the larger the size, the smaller the content of the mountain-shaped particle size distribution (not always showing the ideal Gaussian distribution, but often the irregular mountain-shaped), Mainly large particles. After passing through the gravity classifier, this large particle part was removed, and the tracer particle diameter averaged 2.9 μm.

[重力分級装置]
重力分級装置の概略を図16に示す。超音波の振動により,微細化され浮遊したトレー
サ粒子は供給ファンにより重力分級装置を経て実験装置内部へ供給される。その際,粒径
2.0μm程度の粒子のみを取り出し大きい粒子直径を取り除いた。大きい粒子径は質量が大
きい(質量は粒径の3乗に比例するので粒径の小さな差異が、質量の大きな差をもたらす)ため長い流路を通過する間に沈降する。一方,小さな粒子径は長い流路で沈降しない
ため実験装置内部に供給される。流路の寸法は流露方向に1650 mm,縦80mm,横40mm
±20%程度とすることが好ましい。
[Gravity classifier]
An outline of the gravity classifying apparatus is shown in FIG. Tracer particles that are micronized and floated by the vibration of ultrasonic waves are supplied by a supply fan to the inside of the experimental device through a gravity classifier. At that time, particle size
Only particles of about 2.0 μm were taken out and large particle diameters were removed. A large particle size has a large mass (since the mass is proportional to the cube of the particle size, a small difference in particle size results in a large difference in mass), so it settles while passing through a long channel. On the other hand, the small particle size is supplied to the inside of the experimental apparatus because it does not settle in a long channel. The dimensions of the flow path are 1650 mm in the flow direction, 80 mm in length, and 40 mm in width
It is preferably about ± 20%.

[トレーサ粒子直径測定方法]
流体に対して追従性のよいトレーサが供給されているかどうかを確認するため,トレーサ供給装置から供給されるトレーサ粒子直径を測定した。粒度分布測定装置および顕微鏡を用いて計測を行った。
[Tracer particle diameter measurement method]
In order to confirm whether a tracer with good followability was supplied to the fluid, the diameter of the tracer particles supplied from the tracer supply device was measured. Measurement was performed using a particle size distribution measuring apparatus and a microscope.

[粒度分布測定装置(LDSA)]
レーザ光散乱方式粒度分布測定装置は,平行光束中にある粒子が散乱する光の散乱角を利用して、散乱光強度の散乱角依存性と粒子直径の関係から粒子直径を測定する。フウンホーファ回折を利用した装置である。LDSA の詳細を表11に示す。光源としてHe-Neレーザ(波長632.8 nm, 赤色)を使用し,レーザから出力されたビームは,コリメータで直径約6 mm の平行なビームになる。ビームは,レンズを介し,センサの中心に焦点を結ぶ。センサは,同心円状になっており,センサの内側から外側に向かって順次散乱角に対応した散乱強度が測定できる。ある直径の粒子がレーザ光中に入ると,その粒子直径の大きさによってさまざまな散乱パターンが生じる。粒子直径が小さい場合は,散乱角は大きくなり,粒子直径が大きい場合は,散乱角は小さくなる。いくつかの粒子が,同じある散乱角で散乱した場合,その散乱光は,センサの中心から同円周上に集光する。
[Particle size distribution analyzer (LDSA)]
The laser light scattering type particle size distribution measuring device measures the particle diameter from the relationship between the scattering angle dependence of the scattered light intensity and the particle diameter, using the scattering angle of the light scattered by the particles in the parallel light flux. It is a device that uses Hunhofer diffraction. Details of LDSA are shown in Table 11. A He-Ne laser (wavelength 632.8 nm, red) is used as the light source, and the beam output from the laser becomes a parallel beam with a diameter of about 6 mm by a collimator. The beam is focused through the lens to the center of the sensor. The sensor is concentric, and the scattering intensity corresponding to the scattering angle can be measured sequentially from the inside to the outside of the sensor. When a particle of a certain diameter enters the laser beam, various scattering patterns occur depending on the size of the particle diameter. When the particle diameter is small, the scattering angle is large, and when the particle diameter is large, the scattering angle is small. When several particles are scattered at the same scattering angle, the scattered light is collected on the same circumference from the center of the sensor.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

[顕微鏡装置]
トレーサ粒子発生装置の供給口にスケール付プレパラートを置き,トレーサ粒子を付着させ,顕微鏡によって測定した。
[Microscope equipment]
A prepared preparation with a scale was placed at the supply port of the tracer particle generator, and the tracer particles were attached and measured with a microscope.

[トレーサ粒子計測方法]
トレーサ粒子の計測は、つぎのようなシーケンスで行われた。
1. 予め銅蒸気レーザの暖機を行う。水道水の蛇口を開け冷却用の水を出す。ネオンガスの栓を開け,銅蒸気レーザのスタートスイッチを入れる.その際,点灯ランプに注意し必ず異常がないかどうかを確認する。スタートスイッチを入れてから,レーザが使用できる状態になるまで約1時間待つ。
2. 各装置の配線を行う.シーケンサとスイッチボックスのケーブルを接続し,スイッチボックスのPLS1出力をモータドライバへ,OUTPUT1を電磁弁へ,OUTPUT2を高速度カメラ
へ,OUTPUT5を点火装置へそれぞれ接続する。
3. コンプレッサーへ空気を充填し,空気スライドステージの動作を確認する。スライドステージの動作確認には,スイッチボックスの『A』ボタンと『B』ボタンを1度ずつ押し,メインメニューランプ『1』,『2』が点灯していることを確認する。『X』ボタンを押すことによりステージを前進させることができる。また,前進したステージを後退させる場合,同様に『X』ボタンを押す。また,スピード調整バルブでステージの前進・後進の速度を調節する。
4. マイクロシリンジへ燃料を充填し,黄銅細管の先端から液滴が生成されることを確認する。液滴が生成されない場合は黄銅細管の付け替えを行う。また,1週間に1度,必ず全ての黄銅細管を交換することが望ましい。
(注)マイクロシリンジ内に異物が混入しないよう,燃料充填時には細心の注意を払う
5. マイクロシリンジを燃料押し出し装置にセットし,ステッピングモータの回転量を設定して,直径0.8 mm の液滴が生成できるようにする。ステッピングモータの回転量の設定には,スイッチボックスのメインメニューランプをメインボタンの『C』スイッチを押し『3』のみが点灯している状態にする。この状態で『X』,『Y』,『Z』のボタンを押すことにより出力パルス数の調節が行われる。
(注)シリンジステッピングモータのステップ数
『X』・・・10 ステップ(例)20 ステップ・・・『X』2 回―液滴直径0.5mm
『Y』・・・100 ステップ50 ステップ・・・『X』5 回―液滴直径0.8mm
『Z』・・・1000 ステップ
6. 懸垂線の位置を合わせる。位置の設定が終了後,黄銅細管の位置調節を行い,実際
に懸垂線へ液滴を生成する。続いて,点火線の位置を調節し第1懸垂液滴に点火し燃
焼することを確認する。ステッピングモータの回転量を設定した場合,メインメニューランプ『1』,『2』を点灯させた状態で『Y』ボタンを押すことでステッピングモータを作動させることができる。さらにこの状態で『Z』ボタンを押すことで点火が行われる。
7. 部屋を暗くし,銅蒸気レーザを発振する。このとき,レーザが安定状態になっていることを必ず確認する。その際,線香の煙を用いてレーザシートの調整を行う。
8. トレーサ粒子発生装置を作動させ,粒子供給ファンを調整しながらトレーサ粒子を実験装置内部に十分供給できるようにする。その際,銅蒸気レーザの光源を利用してトレー
サ粒子の供給量を確認しておく。
9. 高速度カメラおよびI.I.の設定を行う。
(注)I.I.を用いる場合,I.I.に強い光を当てないよう部屋を必ず暗くする。
10. 装置の周りをアクリル板で覆う。また,実験を長時間行わない場合,黄銅細管からSUS管内までの燃料は蒸発してしまうため,すべての準備が整った後,実験開始前に再度シリンジ内の燃料を充填しておく。
11. 実験を開始する場合,トレーサ粒子発生装置を作動させ,銅蒸気レーザを照射し始める。スイッチボックスのメインメニューランプ『1』,『2』を点灯させた状態にし,『X』ボタンでステージを前進,『Y』ボタンで液滴を生成,『X』ボタンでステージを後退,『Z』ボタンで第一液滴へ点火すると同時に高速度カメラにトリガーを送信し撮影を行う。
12. 撮影した画像はジャズドライブと8 ミリテープに保存する。そして,TIF 画像からBMP画像に変換を行いPTV 解析ソフトで解析を行う。
[Tracer particle measurement method]
Tracer particles were measured in the following sequence.
1. Warm up the copper vapor laser in advance. Open tap faucet and drain cooling water. Open the neon gas plug and turn on the copper vapor laser start switch. At that time, pay attention to the lighting lamps and make sure that there are no abnormalities. After turning on the start switch, wait about 1 hour until the laser is ready for use.
2. Perform wiring for each device. Connect the PLC and switch box cables, connect the PLS1 output of the switch box to the motor driver, OUTPUT1 to the solenoid valve, OUTPUT2 to the high-speed camera, and OUTPUT5 to the ignition device.
3. Fill the compressor with air and check the operation of the air slide stage. To check the operation of the slide stage, press the “A” button and “B” button of the switch box once to confirm that the main menu lamps “1” and “2” are lit. The stage can be advanced by pressing the “X” button. Similarly, when the advanced stage is moved backward, the “X” button is pressed. The speed adjustment valve adjusts the forward / backward speed of the stage.
Four. Fill the microsyringe with fuel and confirm that droplets are generated from the tip of the brass tube. If no droplets are generated, replace the brass tubule. Also, it is desirable to replace all brass caps once a week.
(Note) Use extreme caution when filling the fuel to prevent foreign matter from entering the microsyringe.
Five. Set the microsyringe in the fuel extrusion device and set the rotation amount of the stepping motor so that droplets with a diameter of 0.8 mm can be generated. To set the rotation amount of the stepping motor, press the “C” switch on the main button of the switch box main menu lamp so that only “3” is lit. In this state, the number of output pulses is adjusted by pressing the “X”, “Y”, and “Z” buttons.
(Note) Number of steps of syringe stepping motor “X”: 10 steps (example) 20 steps: “X” 2 times-droplet diameter 0.5 mm
"Y" ... 100 Step 50 Step ... "X" 5 times-Droplet diameter 0.8mm
「Z」 ・ ・ ・ 1000 steps
6. Adjust the position of the catenary line. After the position is set, the position of the brass tubule is adjusted and a droplet is actually generated on the catenary line. Subsequently, the position of the ignition line is adjusted to confirm that the first suspended droplet is ignited and burned. When the rotation amount of the stepping motor is set, the stepping motor can be operated by pressing the “Y” button with the main menu lamps “1” and “2” lit. Furthermore, ignition is performed by pressing the “Z” button in this state.
7. Darken the room and oscillate copper vapor laser. Make sure that the laser is in a stable state. At that time, the laser sheet is adjusted using incense smoke.
8. Operate the tracer particle generator and adjust the particle supply fan so that the tracer particles can be sufficiently supplied into the experimental device. At that time, the supply amount of tracer particles is confirmed using a light source of a copper vapor laser.
9. Set up the high-speed camera and II.
(Note) When using II, be sure to darken the room so that it does not receive strong light.
Ten. Cover the device with an acrylic plate. If the experiment is not performed for a long time, the fuel from the brass tube to the SUS tube evaporates. Therefore, after all preparations are completed, the fuel in the syringe is filled again before starting the experiment.
11. When starting the experiment, start the tracer particle generator and irradiate the copper vapor laser. With the switch box main menu lamps “1” and “2” lit, move the stage forward with the “X” button, generate droplets with the “Y” button, move the stage backward with the “X” button, “Z” The first droplet is ignited with the button, and at the same time, a trigger is sent to the high-speed camera for shooting.
12. Store the captured images on a jazz drive and 8 mm tape. Then, TIF images are converted to BMP images and analyzed with PTV analysis software.

〔計測手法〕
流体計測ソフト「Flow-PTV」(株式会社ライブラリー)を用いて流れ場を解析した。
1. 撮影した画像をTIF 画像からBMP 画像に変換し,PTV 計測ソフトを用いて解析を行う。
2. PTV 計測での各計測・追跡決定条件
格子間隔・・・X―10
Y―10
ベクトルパラメータ・・・10 倍
マスク,範囲,スケール,撮影コマ数を各設定する。
3. 物体輝度範囲と物体輝度面積の項目の調整を行う。非常に細かいトレーサ粒子のPTV計測を行う場合,特別2 値化の項目をONにする。連番ファイルおよびテキストデータで保存する。
(注)粒子の数と方向,ノイズおよび連番写真の粒子の動きに注意する。
4. 予め,燃え広がりが起こる前の第二液滴周辺の初期速度をテキストデータから確認する。その際,粒子のx 方向速度ベクトル,y 方向速度ベクトルの平均値を初期速度とした。
5. 各画像シーンの各粒子(カップルナンバー)のx 方向,y 方向速度をテキストデータから読み取る方法は各粒子のベクトル始点にマウスを合わせ,右クリックをし,粒子のカップルナンバーを確認する。そのカップルナンバーとテキストデータのカップルナンバーを一致させx 方向,y 方向の速度を得る。
6. x 軸方向流速と無次元距離の関係を時間の経過を追って調べた。
[Measurement method]
The flow field was analyzed using fluid measurement software "Flow-PTV" (Library Inc.).
1. The photographed image is converted from a TIF image to a BMP image and analyzed using PTV measurement software.
2. Measurement and tracking decision conditions in PTV measurement Grid spacing ... X-10
Y-10
Vector parameter: Set 10x mask, range, scale, and number of frames.
3. The items of the object luminance range and the object luminance area are adjusted. When performing PTV measurement of very fine tracer particles, turn on the special binarization item. Save as serial number file and text data.
(Note) Pay attention to the number and direction of particles, noise, and the movement of particles in serial number photographs.
Four. The initial velocity around the second droplet before the spreading of the flame is confirmed in advance from the text data. At that time, the average value of the velocity vector in the x direction and the velocity vector in the y direction was used as the initial velocity.
Five. To read the x-direction and y-direction velocities of each particle (couple number) in each image scene from text data, place the mouse on the vector start point of each particle, right-click, and check the particle couple number. The couple number and the couple number of the text data are matched to obtain the velocity in the x and y directions.
6. The relationship between the x-axis flow velocity and the dimensionless distance was investigated over time.

〔微小重力場〕
ディーゼル機関やガスタービンなどの噴霧燃焼における燃料液滴は非常に小さいため,対流の効果が小さく,球対称に近い現象が生じると考えられる。一方,微小燃料液滴を用いて燃焼実験を行うには多くの困難が伴うため,直径1 mm 程度の比較的大きな燃料液滴を対象として計測が行われることが多い。燃料液滴の直径が大きい場合,対流の影響を受けやすく,この効果を低減して上記の現象を模擬するためには,微小重力環境下において計測を行う必要がある。本発明においても,直径0.8 mm 程度の液滴を用いて計測を行っている。燃え広がりによる第三液滴の移動を考察する上で自然対流による現象の複雑化および重力による振り子の復元力を除去するため,微小重力環境下において計測を行った。
[Microgravity field]
The fuel droplets in spray combustion such as diesel engines and gas turbines are very small, so the effect of convection is small and a phenomenon close to spherical symmetry will occur. On the other hand, since it is difficult to conduct a combustion experiment using small fuel droplets, measurements are often made on relatively large fuel droplets with a diameter of about 1 mm. When the diameter of the fuel droplet is large, it is easily affected by convection. In order to reduce this effect and simulate the above phenomenon, it is necessary to perform measurement in a microgravity environment. In the present invention, measurement is performed using a droplet having a diameter of about 0.8 mm. In consideration of the movement of the third droplet due to the spreading of the flame, the measurement was performed in a microgravity environment in order to remove the complexities of phenomena due to natural convection and the restoring force of the pendulum due to gravity.

[実験装置]
微小重力計測装置全体の概略を図17に示す。微小重力計測装置には通常重力場の計測装置を落下カプセルに搭載できるように改良した。付け加えた装置は、微小重力検知センサ,CCD カメラ,高圧空気タンクおよびレギュレータである。計測は,落下塔を用いて行った(微小重力時間1.1s).光学測定装置は,CCD カメラおよびバックライトによって構成されており,液滴の輪郭像と火炎の自発光像を連続画像として記録した。落下カプセルはウィンチによって落下塔上部まで持ち上げられる。落下塔上部にて初期液滴直径0.8 mm の液滴を生成し,落下を開始させた。微小重力検知センサは微小重力状態を検知し,シーケンサにトリガー信号を送る。シーケンサは点火装置を作動させ,液滴が燃焼を開始する。そして,第三懸垂液滴の挙動を観察した。
[Experimental device]
An outline of the entire microgravity measuring apparatus is shown in FIG. The microgravity measuring device has been improved so that it can be mounted on a falling capsule. The added devices are microgravity detection sensor, CCD camera, high pressure air tank and regulator. The measurement was performed using a drop tower (microgravity time 1.1 s). The optical measuring device consists of a CCD camera and a backlight, and recorded the contour image of the droplet and the self-luminous image of the flame as a continuous image. The falling capsule is lifted up to the top of the dropping tower by the winch. Droplets with an initial droplet diameter of 0.8 mm were generated at the top of the drop tower and started to fall. The microgravity detection sensor detects the microgravity state and sends a trigger signal to the sequencer. The sequencer activates the igniter and the droplets start to burn. The behavior of the third suspended droplet was observed.

[落下塔]
微小重力環境を実現するために,日本大学生産工学部ハイテクリサーチセンター内にある落下塔を用いた。落下塔は自由落下法によって微小重力環境を実現させる装置であり,真空中をカプセルが落下する方式と大気中を落下する方式の二方式がある。本学の所有する落下塔は大気中を落下する方式である。図18に落下塔の全景を示す。落下塔は,全高8.6m,自由落下距離5.4 m,減速部0.9 m であり,約1.1 s の微小重力環境を実現できる。落下塔内部にある2 本のガイドワイヤーは鉛直に設置されており,昇降時および着地時のカプセルの回転を防ぐ。カプセルの昇降はウィンチによって行われる。ウィンチは落下塔脇に設置されており,ワイヤーが落下塔上部に取り付けられた2 つの平滑車を介して、カプセル切り離し装置に接続されている。また,落下塔上部にはカプセル切り離し装置を固定するためのガイドレールが設置されている。ガイドレールにはリミットスイッチが取り付けられており,カプセル切り離し装置がガイドレールに進入しリミットスイッチが作動すると,ウィンチは自動的に停止する。カプセルの落下衝撃を効率よく吸収するため,落下塔底部減速室内のスポンジマットは,エアーダンパ構造となるように配置してある。
[Fall tower]
In order to realize a microgravity environment, the falling tower in the Nihon University production engineering high-tech research center was used. The falling tower is a device that realizes a microgravity environment by the free-fall method. The falling tower owned by the University is a method of falling in the atmosphere. FIG. 18 shows a full view of the fall tower. The falling tower is 8.6m in total height, 5.4m in free fall distance, 0.9m in the deceleration part, and can realize a microgravity environment of about 1.1 s. The two guide wires inside the falling tower are installed vertically to prevent the capsule from rotating during lifting and landing. The capsule is raised and lowered by a winch. The winch is installed on the side of the drop tower, and the wire is connected to the capsule detaching device via two smoothing wheels attached to the top of the drop tower. In addition, a guide rail for fixing the capsule separating device is installed at the top of the dropping tower. A limit switch is attached to the guide rail, and the winch stops automatically when the capsule separating device enters the guide rail and the limit switch is activated. In order to efficiently absorb the drop impact of the capsule, the sponge mat in the drop tower bottom deceleration chamber is arranged to have an air damper structure.

[落下カプセル]
図19に落下カプセルの概略を示す。落下カプセルは外カプセルと内カプセルの二重構造となっており,測定装置は内カプセルに搭載されている。落下前,内カプセルは外カプセル内の上部に位置し,両者の底部には150 mm の距離がある。カプセル落下中,外カプセルは空気抵抗を受けるため,自由落下より落下速度が遅くなり,両者は次第に接近し着地時に接触する。このような構造により実験装置が搭載されている内カプセルの対気速度はきわめて小さく,空気抵抗による自由落下からのずれを小さくできる。内カプセル内部の重力加速度は10-4 G0 程度である。
外カプセルの構造材にはアルミニウム合金を用いた。直径1.0 m,全長1.4 m,質量約100kg であり,底部には落下時の空気抵抗を低減するため木製の円錐台が取り付けられている。内側底部には,内カプセル衝突時の衝撃を吸収するためのスポンジと,跳ね上がり防止のための7 つの吸盤が設置してある。外カプセルの外壁には2箇所の作業窓があり,外カプセルから内カプセルを出さずに内カプセル内の計測装置へ作業ができるようになっている。
装置が搭載されている内カプセルは,直径0.8 m の天板,底板および四本の柱で組まれている。天板上には,CCD カメラ画像の出力用端子×2 本(BNC connector),AC100V 供給用端子(Connector1 , 4Pin) , 液滴生成スイッチ用端子(Connector2,8Pin) がある. BNCconnector はビデオカセットレコーダへ映像を出力するための端子で,落下中も外部のビデオレコーダと接続されている。Connector1 とConnector2 は落下時に切り離される。落下中にも電力を必要とするため,オムロン製バックアップ100 VAC の電源を用いて電力供給を行った。底板上には窒素ボンベが搭載されており,充填窒素はエアスライドステージの前進・後進移動に用いられる。また,内カプセルには計測装置をはさむように2 枚の八角形プラットホームが設置されており,それぞれの上に装置が配置されている。
[Falling capsule]
FIG. 19 shows an outline of the falling capsule. The falling capsule has a double structure of an outer capsule and an inner capsule, and the measuring device is mounted on the inner capsule. Before falling, the inner capsule is located at the top of the outer capsule, and the bottom of both is 150 mm away. While the capsule is falling, the outer capsule receives air resistance, so the falling speed is slower than that of free fall, and both gradually approach and come into contact when landing. With this structure, the air speed of the inner capsule equipped with the experimental device is extremely low, and the deviation from free fall due to air resistance can be reduced. The gravitational acceleration inside the inner capsule is about 10-4 G0.
An aluminum alloy was used as the structural material of the outer capsule. It has a diameter of 1.0 m, a total length of 1.4 m, and a mass of about 100 kg. A wooden truncated cone is attached to the bottom to reduce the air resistance when dropped. At the bottom of the inner side, there are a sponge for absorbing the impact when the inner capsule collides and seven suction cups for preventing splashing. There are two working windows on the outer wall of the outer capsule so that the measuring device in the inner capsule can be operated without taking out the inner capsule from the outer capsule.
The inner capsule on which the device is mounted is composed of a top plate, a bottom plate and four pillars with a diameter of 0.8 m. On the top board are two CCD camera image output terminals (BNC connector), AC100V supply terminals (Connector1, 4Pin), and droplet generation switch terminals (Connector2, 8Pin). BNCconnector is a terminal for outputting video to a video cassette recorder, and it is connected to an external video recorder even when dropped. Connector1 and Connector2 are disconnected when dropped. Since power is required even during the fall, power was supplied using an Omron backup 100 VAC power source. A nitrogen cylinder is mounted on the bottom plate, and the charged nitrogen is used to move the air slide stage forward and backward. In addition, two octagonal platforms are installed on the inner capsule so as to sandwich the measuring device, and a device is placed on each of them.

[[カプセル切り離し装置]]
[変更前落下切り離し装置]
図20にカプセル切り離し装置の概略を示す。この切り離し装置は,エアシリンダ,電磁コイル,ソレノイドバルブ,エアタンクからなる。カプセルの切り離しは,カプセルに取り付けてある吊り板から2 本のピンを引き抜くことでカプセルを切り離す。カプセルの重量はピンA のみで支えており,ピンB は安全用のピンである。ピンの操作は落下塔脇のコントロールパネルで行う。
コントロールパネルのスイッチ配置を図21に示す。パネル1 にあるスイッチは安全装置に関するものである。SW 1P とSW 1S をON にし,リセットボタンで安全装置を解除する。パネル2 は切り離し装置の制御用スイッチであり,計測時はRELEASE 側に,落下塔内で作業をするときなど通常はSET側にしておく。パネル5 のSW 5P はDC 5Vの電源装置のスイッチである。ON にすることで,パネル1 へ電力が供給される。パネル6 の二つのボタンは落下カプセルを切り離すためのスイッチである。一つめのボタンを押すと切り離し装置の電磁コイルが働き,ピンBが解除される。二つ目のボタンを押すことでソレノイドバルブが開き,エアシリンダが作動することでピンA が解除される。計測時は,二つのボタンを同時に押すことで,カプセルを切り離す。
[[Capsule separation device]]
[Drop cutting device before change]
FIG. 20 shows an outline of the capsule separating apparatus. This separating device is composed of an air cylinder, an electromagnetic coil, a solenoid valve, and an air tank. To detach the capsule, detach the capsule by pulling out the two pins from the suspension plate attached to the capsule. The weight of the capsule is supported only by pin A, and pin B is a safety pin. The pins are operated on the control panel beside the drop tower.
FIG. 21 shows the switch arrangement of the control panel. The switch on panel 1 is for safety devices. Turn on SW 1P and SW 1S, and release the safety device with the reset button. Panel 2 is a control switch for the separation device, and is set to the RELEASE side during measurement, and is usually set to the SET side when working in a drop tower. SW 5P on panel 5 is a DC 5V power supply switch. When turned on, power is supplied to panel 1. The two buttons on panel 6 are switches for disconnecting the falling capsule. When the first button is pressed, the electromagnetic coil of the disconnecting device works and pin B is released. Pressing the second button opens the solenoid valve, and the air cylinder is activated to release pin A. During measurement, the capsules are separated by pressing both buttons simultaneously.

[変更後落下切り離し装置]
図22に変更後の切り離し装置の構造を示す。初期の落下方法では,切り離しの振動が第三懸垂線を微小重力中に移動させてしまうため,従来の切り離し装置を大幅に変更した。現在の切り離し方法は,切り離し時の振動を最小限にするため,ケミカルテープをニクロム線で加熱することにより切り離す構造である。ケミカルテープ(白色)は,吊り上げるカプセルの重量,ニクロム線の熱量および実験の容易さを考慮して選定した。図23に結び方を示す。ケミカルテープを用いて外カプセルおよび内カプセルを吊りあげるためもあい結びを採用した.もあい結びはカプセルの重量を利用して結び目が締まるような結び方であり安全であった。
[Falling device after change]
FIG. 22 shows the structure of the separation device after the change. In the early fall method, the separation vibration moved the third catenary line into the microgravity, so the conventional separation device was significantly changed. The current separation method is a structure in which chemical tape is heated by nichrome wire in order to minimize vibration during separation. The chemical tape (white) was selected in consideration of the weight of the capsule to be lifted, the heat of the nichrome wire, and the ease of experimentation. FIG. 23 shows how to tie. A knot was also used to lift the outer and inner capsules using chemical tape. Moai knots were safe because the knots were tightened using the weight of the capsules.

[操作方法]
1.各装置の配線を行う。落下装置,電源,CCD カメラ,ビデオカセットレコーダの接続を行い,窒素ボンベの栓を開ける。
(注)窒素ボンベのMAX 充填圧力は,120「kgf/cm2」である。
2. PTV 地上実験での実験方法2〜6 までと同様な設定および操作を行う.
(注1)PTV 地上実験3 において,コンプレッサーへの充填は微小重力実験では行なっていない。
(注2)PTV 地上実験6 場合の点火線の位置調整は,微小重力実験の場合点火線の構造を変更しているため調整法が異なる。
3. 実験装置の調整および設定が終わり次第,内カプセルを外カプセル内に挿入し,ウィンチで吊り上げる。
4. 落下塔底部の減速室に衝撃吸収のためのスポンジマットを敷き,落下カプセルを落下塔上部までウィンチを使用して上げる。
5. 落下塔内の安全を確認後,コントロールパネル上のスイッチを以下の順でON にする。(各スイッチの説明,配置は図21に示す)
6. パネル1 のSW 1P, SW 1S →SW 1R でRESET →パネル5 のSW 5P→パネル2 のSW
2L をRELEASE 側にする。
7. リモートコントロールで懸垂線に液滴を生成,付着させる。
(注)微小重力実験では,落下塔際上部にて落下直前に液滴を生成する。
8. 液滴が目標のサイズになったことを確認し,ビデオカセットレコーダの録画を行う。
9. すべての落下準備が整い次第,パネル6 のSW 6B ,SW 6R の二つの切り離しボタンを同時に押しカプセルを切り離す。
10.ビデオカセットレコーダに録画した映像の解析を行う。
[Method of operation]
1. Perform wiring for each device. Connect the drop device, power supply, CCD camera, and video cassette recorder, and open the nitrogen cylinder plug.
(Note) The maximum filling pressure of the nitrogen cylinder is 120 kgf / cm2.
2. Perform the same settings and operations as in Experimental Methods 2-6 in the PTV ground experiment.
(Note 1) In the PTV ground experiment 3, the compressor was not filled in the microgravity experiment.
(Note 2) The adjustment method of the ignition line position in the case of PTV ground experiment 6 is different because the structure of the ignition line is changed in the microgravity experiment.
3. As soon as the experimental apparatus is adjusted and set, insert the inner capsule into the outer capsule and lift it with a winch.
Four. Place a sponge mat for shock absorption in the deceleration chamber at the bottom of the fall tower, and raise the fall capsule to the top of the fall tower using a winch.
Five. After confirming the safety of the falling tower, turn on the switches on the control panel in the following order. (Description and arrangement of each switch is shown in FIG. 21)
6. Panel 1 SW 1P, SW 1S → SW 1R RESET → Panel 5 SW 5P → Panel 2 SW
Set 2L to RELEASE side.
7. Droplets are generated and attached to the catenary line by remote control.
(Note) In microgravity experiments, droplets are generated just before the drop at the top of the drop tower.
8. After confirming that the droplet has reached the target size, video cassette recorder recording is performed.
9. As soon as all the drops are ready, the capsule 6 is separated by simultaneously pressing the two release buttons SW 6B and SW 6R on panel 6.
Ten. Analyzes video recorded on a video cassette recorder.

[計測方法]
1. ビデオカセットレコーダに保存した映像を確認する。
2. 第三液滴の移動距離を求める場合,初期位置を正確に決定し画面上の移動距離をノギスにて計測する。画面上の距離に倍率をかけて実際の移動距離を求める。
3. x 方向およびy 方向の無次元距離と時間の関係をデータにした。
[Measurement method]
1. Check the video saved in the video cassette recorder.
2. When determining the movement distance of the third droplet, determine the initial position accurately and measure the movement distance on the screen with calipers. Multiply the distance on the screen to find the actual distance traveled.
3. The relationship between the dimensionless distance in the x and y directions and time was used as data.

[実験パラメータ]
等価液滴直d0,無次元液滴間隔s および無次元移動距離Δx を以下に定義した。
[等価液滴直径]
液滴直径には,液滴の短径a および長径b を用いてd0=(a2b)1/3 により定義される等価液滴直径を用いた。液滴列の初期直径としては第二初期液滴直径と第三液滴初期直径の平均値を用いてd0 と表記した。
[Experimental parameters]
The equivalent droplet diameter d0, dimensionless droplet spacing s, and dimensionless movement distance Δx are defined below.
[Equivalent droplet diameter]
As the droplet diameter, the equivalent droplet diameter defined by d0 = (a2b) 1/3 was used, using the minor axis a and major axis b of the droplet. The initial diameter of the droplet row was expressed as d0 using the average value of the second initial droplet diameter and the third initial droplet diameter.

[無次元液滴間隔]
液滴間隔は第二液滴と第三液滴の距離を第二初期液滴直径と第三初期液滴直径の平均値d0 で除し,無次元液滴間隔s とした。
[無次元移動距離]
第三液滴の移動量は燃焼前の位置を基準にして,そこからの移動量を第二液滴初期直径と第三初期液滴直径の平均値で除して無次元移動距離Δx とした。
[Dimensionless droplet spacing]
The distance between the second droplet and the third droplet was divided by the average value d0 of the second initial droplet diameter and the third initial droplet diameter to obtain a dimensionless droplet interval s.
[Dimensionless travel distance]
The amount of movement of the third droplet is based on the position before combustion, and the amount of movement from there is divided by the average value of the initial diameter of the second droplet and the diameter of the third initial droplet. .

[燃え広がり誘導時間]
点火の定義は,燃料液滴の周囲に火炎の発光が確認された場合とした。燃え広がり誘導時間は燃え広がりが第二液滴から第三液滴までに要する時間である。燃え広がり誘導時間には20 / F at l = で表されるフーリエ数を用いた。温度伝播率( ) P / a C λ ρ = であり、定圧比熱P C は300 k での空気の値を用い,密度3 kg/m ρ は300 k での空気の値とした。
[Burn spread induction time]
Ignition was defined as the case where flame emission was confirmed around the fuel droplet. The flame spread induction time is the time required for the flame spread from the second droplet to the third droplet. A Fourier number represented by 20 / F at l = was used for the flame spread induction time. The temperature propagation rate () P / a C λ ρ =, the constant-pressure specific heat PC was the air value at 300 k, and the density 3 kg / m ρ was the air value at 300 k.

[計測条件]
計測は,通常重力場および微小重力場で行った。 通常重力場では,初期液滴直径d0 が0.8 mm および0.3 mm で行い,液滴間隔を変化させ第三懸垂液滴の挙動を観察した。PTV計測においては無次元液滴間隔s は5.5 に固定した。初期液滴直径d0 は0.8 mm とし,第二および第三液滴周りの流れ場の可視化を行った。微小重力場では,初期液滴直径d0 は0.8 mm とし,第三懸垂液滴の挙動観察を行った。
燃料には正ヘプタンを使用し,雰囲気には大気圧の空気を用いた。空気温度は300±3K とした。
[Measurement conditions]
Measurements were performed in normal and microgravity fields. In a normal gravitational field, the initial droplet diameter d0 was 0.8 mm and 0.3 mm, and the behavior of the third suspended droplet was observed by changing the droplet interval. In the PTV measurement, the dimensionless droplet interval s was fixed at 5.5. The initial droplet diameter d0 was 0.8 mm, and the flow field around the second and third droplets was visualized. In the microgravity field, the initial droplet diameter d0 was 0.8 mm, and the behavior of the third suspended droplet was observed.
Positive heptane was used as the fuel, and atmospheric pressure air was used as the atmosphere. The air temperature was 300 ± 3K.

[[本発明の測定方法の応用例]]
このような本発明の測定方法は、以下のような種々事項の考察、解析に応用することができる。
[燃焼の準定常理論]
単一液滴の準定常理論を理解することにより,燃料液滴列での燃焼や液滴の移動の考察をより深く理解することができる。ここでは単一液滴の準定常理論について説明する。
燃料液滴の燃焼では燃料蒸気と空気(または酸素)の拡散と熱移動とが現象を支配している。これらのことを考慮して,一つのモデルを構築してみると図24のようになる。
すなわち,半径1 R の液滴は火炎面などの外部から熱を受けて蒸発し,燃料蒸気を吹き出す。燃料蒸気は外側に向かって拡散し,外側から内側に向かって拡散してきた空気と反応し,火炎面を形成する。したがって,火炎面では燃料蒸気および酸素濃度はゼロとなり温度は火炎温度f θ となる。
[[Application Example of Measurement Method of the Present Invention]]
Such a measuring method of the present invention can be applied to the following consideration and analysis of various items.
[Quasi-stationary theory of combustion]
By understanding the quasi-stationary theory of single droplets, we can better understand the considerations of combustion and droplet movement in a fuel droplet train. Here, the quasi-stationary theory of a single droplet will be described.
In combustion of fuel droplets, diffusion of fuel vapor and air (or oxygen) and heat transfer dominate the phenomenon. Considering these points, when one model is constructed, it is as shown in FIG.
That is, a droplet with a radius of 1 R evaporates by receiving heat from the outside such as a flame surface and blows out fuel vapor. The fuel vapor diffuses outward and reacts with the air diffused from the outside to the inside, forming a flame front. Therefore, on the flame surface, the fuel vapor and oxygen concentrations are zero and the temperature is the flame temperature fθ.

[燃料蒸気の物質移動]
燃料蒸気濃度は混合気1kg 中に燃料蒸気F kg C 含まれているとすれば,C F kg/kg であり,混合気の密度を3 kg/m ρ とすればその量はρC F である。燃料蒸気は液滴表面で飽和しており濃度差で外側に拡散していくものと考えられるから,拡散係数をD m2 /s とすれば単位時間,単位面積あたりに-D・d(ρC)/drの燃料蒸気が分子拡散していく。さらに,燃料蒸気は吹き出し速度u が与えられているので単位時間,単位面積あたりにρCFu の燃料蒸気が外側に向かって対流で移動するから両者を加えるとρCFu-D・d(ρCF)/drとなる。
もともと吹き出し速度は混合気全体を外側に移動させているのであるから,その分の単位時間,単位面積あたりの移動蒸気量はρu である。したがって,両者を等しいと置けば
[Mass transfer of fuel vapor]
The fuel vapor concentration is C F kg / kg if 1 kg of fuel mixture is contained in the fuel vapor F kg C, and the amount is ρC F if the mixture density is 3 kg / m ρ. . The fuel vapor is saturated on the droplet surface and is considered to diffuse outward due to the concentration difference. Therefore, if the diffusion coefficient is D m 2 / s, -D · d (ρC per unit time and unit area F ) / dr fuel vapor is molecularly diffused. Furthermore, the unit time the fuel vapor blowout velocity u is given, the addition of both because per unit area fuel vapor .rho.c F u moves with convection outward ρC F uD · d (ρC F ) / dr
Originally, the blowing speed moves the entire mixture outward, so the amount of moving steam per unit time and unit area is ρu. So if you put them equal,

Figure 2005265486
Figure 2005265486

となる。燃料蒸気層内を添字1 であらわし,式(1)を適用してみる。燃料の単位時間当たりの蒸発量をw kg/s とすれば   It becomes. Let the inside of the fuel vapor layer be represented by subscript 1 and apply Equation (1). If the amount of fuel evaporation per unit time is w kg / s

Figure 2005265486
Figure 2005265486

となる。火炎面外側の領域を添字2 であらわすと,そこでは濃度OX C の酸素が内側に向かってD2・d(ρCOX)/drだけ拡散してくる.しかし,外側に向かった吹き出し流のためにρCOX u け妨げられる.火炎面内で燃料蒸気と反応して酸素がゼロとなるためには理論上のζ倍の酸素が必要であれば It becomes. If the region outside the flame surface is represented by subscript 2, oxygen with a concentration of OX C diffuses inward by D 2 · d (ρ 2 C OX ) / dr. However, ρ 2 C OX u is hindered by the outward flow. If the oxygen in the flame surface reacts with the fuel vapor to become zero, if the theoretical ζ times oxygen is required

Figure 2005265486
となる。これが物質移動の式である。境界条件は火炎面上でとると、
Figure 2005265486
It becomes. This is the mass transfer equation. If the boundary condition is on the flame surface,

Figure 2005265486

として式(3)に代入して
Figure 2005265486

Substituting into equation (3) as

Figure 2005265486

となり、図25に濃度分布の概要が示される。
Figure 2005265486

FIG. 25 shows an outline of the density distribution.

[熱移動]
火炎面内側の温度をθとすれば単位時間,単位面積あたりに内側に向かってλ11/ / dr の熱が伝わり,外側に向かって吹き出し流によりCP1 ρ1u(θ1W)の熱が運び去られ,その差がwH の燃料蒸気を発生させると考えられるから,燃料の蒸発潜熱をL とすれば
[Heat transfer]
If the temperature inside the flame surface is θ 1 , heat of λ 11 / / dr is transmitted inward per unit time and unit area, and C P1 ρ 1 u (θ 1 − θ W

Figure 2005265486

となる。ただしθWは液滴表面温度である。
火炎面より外側の領域においては燃料の発熱量をH とすれば,燃焼反応による全発熱量wH のうちからwL を差し引いた( ) w H L . が外側に向かって伝導しかつ,吹き出し流CP2 ρu(θ1)によって移動するから
Figure 2005265486

It becomes. Where θ W is the droplet surface temperature.
If the calorific value of the fuel in the region outside the flame front and H, minus wL from among all calorific wH by combustion reaction () w HL. Conduction vital outward, balloon stream C P2 Because it moves by ρ 2 u (θ 1 )

Figure 2005265486

となる. θ∞ は遠方の温度である.これらが熱移動の基礎式である.境界条件は火炎面内側に対して
Figure 2005265486

It becomes. θ∞ is the distant temperature. These are the basic equations for heat transfer. Boundary conditions for the flame front

Figure 2005265486

火炎面外側に対して
Figure 2005265486

Against the outside of the flame

Figure 2005265486

となる。この解は
Figure 2005265486

It becomes. This solution is

Figure 2005265486

となる。図36に温度分布の概略を示す。
式(4)においてr = ∞として
Figure 2005265486

It becomes. FIG. 36 shows an outline of the temperature distribution.
In equation (4), r = ∞

Figure 2005265486

近似式を使えば
Figure 2005265486

If you use an approximate expression

Figure 2005265486

燃焼速度定数Cb
Figure 2005265486

The burning rate constant Cb is

Figure 2005265486

で定義されdt 時間にdRだけ液滴の半径が小さくなったとすれば液滴の密度ρf としてdt 時間の蒸発量 w dtは
Figure 2005265486

If the radius of the droplet becomes smaller by dR 1 in dt time, the evaporation density w dt in the dt time is expressed as the droplet density ρ f

Figure 2005265486
であるから
Figure 2005265486
Because

Figure 2005265486

となり燃焼速度定数から蒸発量が求まる。
Figure 2005265486

The evaporation amount is obtained from the combustion rate constant.

[[常重力場]]
[モードの定義]
燃え広がり形態によって第三液滴の移動が変化すると考えられるため本発明では燃え広がり形態を以下のように定義した。
図27は燃え広がりモードの概念図である。モード1 は第二懸垂液滴の火炎に第三懸垂液滴が包まれて燃え広がりが起こる場合,モード2 は第二懸垂液滴の火炎が第三懸垂液滴に燃え広がる前に球状火炎になり,第三懸垂液滴に燃え広がった場合,モード3 は第三懸垂液滴の火炎が第二懸垂液滴の火炎とは独立に発生した場合,モード4 は第三懸垂液滴が燃え広がらなかった場合とした。
[[Gravity field]]
[Definition of mode]
Since it is considered that the movement of the third droplet changes depending on the spreading form, in the present invention, the spreading form is defined as follows.
FIG. 27 is a conceptual diagram of the flame spread mode. Mode 1 is when the third suspended droplet is wrapped in the flame of the second suspended droplet, and the flame spreads. In the case of mode 3, the flame of the third suspended droplet was generated independently of the flame of the second suspended droplet, and in mode 4, the third suspended droplet did not spread. It was a case.

[[液滴直径0.8 mm の場合]]
[無次元液滴間隔とモードの関係]
図28に初期液滴直径0.8mm の場合の無次元液滴間隔s とモードの関係を示した。s =1.0 ~ 3.0 はモード1 を示し,s = 2.5 ~ 4.0 はモード2,s = 3.5 ~ 7.0 はモード3,s = 6.5 以上では燃え広がらなかった。
[[Droplet diameter 0.8 mm]]
[Relationship between dimensionless droplet interval and mode]
FIG. 28 shows the relationship between the dimensionless droplet interval s and the mode when the initial droplet diameter is 0.8 mm. s = 1.0 to 3.0 indicates mode 1, s = 2.5 to 4.0 is mode 2, s = 3.5 to 7.0 is mode 3, and s = 6.5 and above did not spread.

[液滴の挙動]
図29から32は,火炎燃え広がり挙動の画像と第三液滴の挙動を時間変化で示し手いる。第二懸垂液滴に火炎が燃え広がった時刻t を0.0 s とした.写真の破線は,第三液滴の初期位置を示している。第二液滴から遠ざかる方向を正方向とし,近寄る方向を負方向とした。図中のt i g は第三液滴に燃え広がりが起こった時刻を示している。
図29はモード1 の場合である.無次元液滴間隔s は2.8 である.t = 0 s の画像では,第一液滴が点火した瞬間に,第二液滴に燃え広がりが生じている.t = 0.1 s の画像では,第二と第三液滴がお互いに反発しあって第三液滴が正方向に移動し始めている。 t = 0.15 s では,第三液滴が正方向にさらに移動し,正方向の移動距離が極大になる.t = 0.2 s においては,振り子の復元力により負方向に移動が転じている。t = 0.35 s では,正方向に移動が転じる。t = 0.45 s での移動距離の極大値はt = 0.15 s での移動距離の極大値より大きい値を示した。t = 0.5 s では移動が再び負方向へ転じる。
[Droplet behavior]
FIGS. 29 to 32 show an image of the flame spread behavior and the behavior of the third droplet with time. The time t when the flame spread over the second suspended droplet was set to 0.0 s. The broken line in the photograph shows the initial position of the third droplet. The direction away from the second droplet was the positive direction, and the approaching direction was the negative direction. In the figure, tig indicates the time when the third droplet spreads.
Figure 29 shows the case of mode 1. The dimensionless droplet spacing s is 2.8. In the image at t = 0 s, the second droplet spreads out at the moment the first droplet ignites. In the image at t = 0.1 s, the second and third droplets repel each other and the third droplet begins to move in the positive direction. At t = 0.15 s, the third droplet moves further in the positive direction, and the moving distance in the positive direction becomes maximum. At t = 0.2 s, the movement turns in the negative direction due to the restoring force of the pendulum. At t = 0.35 s, the movement turns in the positive direction. The maximum value of the travel distance at t = 0.45 s was larger than the maximum value of the travel distance at t = 0.15 s. At t = 0.5 s, the movement turns negative again.

図30はモード2 の場合である。無次元液滴間隔s は3.4 である。t = 0 s の画像では,第一液滴に点火された瞬間に,第二液滴に燃え広がりが生じている。t = 0.1 s の画像では,第二と,第三液滴がお互いに反発しあって第三液滴が正方向に移動し始めている。t = 0.2 sの画像では,第二と第三液滴がお互いに反発しあって第三液滴が正方向に移動し正方向の移動距離が最大になる。t = 0.25 s においては振り子の復元力により負方向に移動が転じている。t = 0.35 s では,再び正方向に移動が転じる.t = 0.55 s 以後は可視化範囲から第三液滴が出てしまい計測が行えなかった。モード2 の場合,第三液滴が移動する原因はs =2.0 の場合と同様だが,注目すべき点は燃え広がりが起こった後の正方向移動距離が大きいことである。   FIG. 30 shows the case of mode 2. The dimensionless droplet spacing s is 3.4. In the image at t = 0 s, the second droplet burns out at the moment when the first droplet is ignited. In the image at t = 0.1 s, the second and third droplets repel each other and the third droplet begins to move in the positive direction. In the image at t = 0.2 s, the second and third droplets repel each other, the third droplet moves in the positive direction, and the moving distance in the positive direction is maximized. At t = 0.25 s, the movement turns in the negative direction due to the restoring force of the pendulum. At t = 0.35 s, the movement turns again in the positive direction. After t = 0.55 s, the third droplet came out from the visualization range and measurement was not possible. In Mode 2, the reason for the movement of the third droplet is the same as in the case of s = 2.0, but the point that should be noted is that the forward movement distance after the spread of the flame is large.

図31はモード3 の場合である。無次元液滴間隔s は5.7 である.t = 0.1 s の画像では,第一液滴から第二液滴に燃え広がった瞬間に,第三液滴は正方向に移動した。t = 0.1 s からは,振り子の復元力と自然対流の影響によって第三液滴が負方向に移動していると推察される。 t = 0.4 s の画像では,燃焼によって生じた既燃ガスの流れにより,第二と第三液滴がお互いに反発しあって第三液滴が正方向に移動している。   FIG. 31 shows the case of mode 3. The dimensionless droplet spacing s is 5.7. In the image at t = 0.1 s, the third droplet moved in the positive direction at the moment when it spread from the first droplet to the second droplet. From t = 0.1 s, it can be inferred that the third droplet is moving in the negative direction due to the restoring force of the pendulum and the effect of natural convection. In the image at t = 0.4 s, the second and third droplets repel each other and the third droplet moves in the positive direction due to the flow of burned gas generated by combustion.

図32は,第三液滴に燃え広がらなかった場合である。無次元液滴間隔s は7.0 である。t= 0.1 s に第二液滴の燃え広がりによって生じた膨張流の影響を受けて第三液滴は正方向に移動し,それ以降は振動する. s = 5.7 と比べて,場合の負方向の移動距離が増大している。これは,自然対流の影響を強く受けたためと考えられる。   FIG. 32 shows the case where the third droplet did not burn and spread. The dimensionless droplet spacing s is 7.0. At t = 0.1 s, the third droplet moves in the positive direction under the influence of the expansion flow caused by the spreading of the second droplet, and thereafter vibrates. Compared to s = 5.7, the moving distance in the negative direction is increased. This is thought to be due to the strong influence of natural convection.

[燃え広がり前の燃料液滴の移動(ヘプタンの場合)]
図33は,無次元液滴間隔と燃え広がりが起こる前の正方向無次元最大移動距離Δxmax1の関係を示している。 Δxmax1は,第二液滴が初期に発生する燃料蒸気および既燃ガスの流れがによって第三液滴に及ぼす力の度合いを表している。 s = 5.0 以下では第三液滴の移動が起こる前に燃え広がりが起こってしまうため, Δxmax1 をゼロとした。また,正方向の移動中に第三液滴に燃え広がりが生じた場合は白丸で表し第三液滴が燃え広がった位置をΔxmax1 とした。第一液滴から第二液滴に燃え広がりが起こらなかった場合はプロットに加えていない。 Δxmax1 はs = 5.5 からs = 6.5 にかけて減少する。第三液滴は第一液滴の燃え広がりによって生じる熱膨張流により抗力を受けて移動し,さらに第二液滴の燃え広がりで生じる熱膨張流が加わって移動すると考えられる。s > 5.5 においてΔxmax1 が無次元液滴間隔の増加に伴って減少するのは,第一および第二液滴の熱膨張流は無次元液滴間隔の増大に伴って減少すること,および第一液滴の熱膨張流による第三液滴の移動が最大値をとって負方向に移動の向きが転じた後に,第二液滴の燃え広がりが起こることなどが原因と考えられる.即ち,第二液滴に燃え広がりが起こる時点での第三液滴の位置と速度でΔxmax1 が決定されると考えられる。
[Movement of fuel droplets before spreading (in case of heptane)]
FIG. 33 shows the relationship between the dimensionless droplet interval and the positive direction dimensionless maximum moving distance Δxmax1 before the spreading of the flame occurs. Δxmax1 represents the degree of force exerted on the third droplet by the flow of the fuel vapor and the burnt gas generated initially by the second droplet. Below s = 5.0, Δxmax1 was set to zero because the spread of the flame occurred before the third droplet moved. In addition, when the third droplet burns and spreads while moving in the positive direction, it is represented by a white circle and the position where the third droplet burns and spread is designated as Δxmax1. If no spread from the first droplet to the second droplet occurs, it is not added to the plot. Δxmax1 decreases from s = 5.5 to s = 6.5. It is considered that the third droplet is moved by receiving a drag force due to the thermal expansion flow generated by the spreading of the first droplet, and further the thermal expansion flow generated by the spreading of the second droplet is added. At s> 5.5, Δxmax1 decreases with increasing dimensionless droplet spacing because the thermal expansion flow of the first and second droplets decreases with increasing dimensionless droplet spacing and This is thought to be caused by the spreading of the second droplet after the maximum movement of the third droplet due to the thermal expansion flow of the droplet takes a negative value and the direction of movement changes in the negative direction. That is, it is considered that Δxmax1 is determined by the position and velocity of the third droplet at the time when the second droplet spreads and spreads.

[燃焼による水液滴の移動(水の場合)]
第三液滴の移動に,第二液滴の火炎の熱による第三液滴の蒸発が寄与するかどおか,およびs < 5.5 における第三液滴が受ける抗力を調べるため,第三液滴に水を用いて同様の実験を行った。
図34は無次元液滴間隔と第三液滴のΔxmax1の関係を示している。水の場合は正方向無次元移動距離の初期の極大値をΔxmax1 とした。第三液滴に燃料液滴を用いた場合と同様に,無次元液滴間隔が増大するに伴ってΔxmax1 が減少している。燃料液滴を用いた場合,s = 5.0 付近ではΔxmax1 が0.62 の値を示し,水滴を用いた場合はΔxmax1 が0.4 の値を示している。ここで第一および第二液滴が発生する熱膨張流によって抗力を受けて重力と釣り合う場合を考えると,液滴の変位は液滴の密度に反比例する。両者の値の違いは燃料と水の密度差によって定量的に説明できる.以上より第三液滴の移動に対しては,第三液滴の蒸発の寄与は少ないと考えられる。
[Movement of water droplets by combustion (for water)]
In order to investigate whether the third droplet evaporates due to the heat of the flame of the second droplet, and the drag experienced by the third droplet at s <5.5, A similar experiment was conducted using water.
FIG. 34 shows the relationship between the dimensionless droplet interval and Δxmax1 of the third droplet. In the case of water, the initial maximum value of the dimensionless moving distance in the positive direction is Δxmax1. As in the case of using fuel droplets as the third droplet, Δxmax1 decreases as the dimensionless droplet spacing increases. When fuel droplets are used, Δxmax1 shows a value of 0.62 near s = 5.0, and when water droplets are used, Δxmax1 shows a value of 0.4. Here, considering the case where the first and second droplets are dragged by the thermal expansion flow and are balanced with gravity, the displacement of the droplets is inversely proportional to the density of the droplets. The difference between the two values can be explained quantitatively by the difference in density of fuel and water. From the above, it is considered that the third droplet evaporation contributes little to the movement of the third droplet.

[燃え広がり後の液滴の移動]
図35に初期液滴直径0.8mm の場合の無次元液滴間隔と燃焼後の無次元最大移動距離Δxmax2 の関係を示している。 Δxmax2 は,第三液滴に燃え広がりが生じてからのΔx 極大値の最大値とした。 Δxmax2 は第二および第三液滴が発生する燃料蒸気および既燃ガスの流れが第三液滴におよぼす抗力の度合いを表している。第三液滴が燃え広がった後, Δxが極大値を示すことなく燃焼を終了した例はなかった。(図29から32を参照)第三液滴に燃え広がりが起こらなかった場合はΔxmax2 を零とした。無次元液滴間隔が1.2 から3.3 までは, Δxmax2 が増大し,s = 3.3 で最大値をとり,s = 7.4 まで減少している。s = 3.3 でΔxmax2が最大値をとる原因は,燃焼前の正方向の移動や,燃え広がり位置,振り子の復元力,自然対流などが現象を複雑にしてしまい,詳細がわかっていない。振り子の機構上,x 方向の移動量が増大すると,上向きの自然対流の影響強く受けてしまう.そのため第三液滴の移動に燃料蒸気と既燃ガスがどのように影響しているかがはわからないため,自然対流と振り子の復元力の影響がない微小重力環境下で実験を行わければならない。
[Movement of droplet after spreading]
FIG. 35 shows the relationship between the dimensionless droplet interval and the dimensionless maximum movement distance Δxmax2 after combustion when the initial droplet diameter is 0.8 mm. Δxmax2 is the maximum value of the Δx maximum after the third droplet has spread. Δxmax2 represents the degree of drag exerted on the third droplet by the flow of fuel vapor and burned gas generated by the second and third droplets. After the third droplet spread and spread, there was no case where Δx did not reach the maximum value and the combustion ended. (See FIGS. 29 to 32) Δxmax2 was set to zero when the third droplet did not spread and spread. When the dimensionless droplet interval is from 1.2 to 3.3, Δxmax2 increases, takes a maximum value at s = 3.3, and decreases to s = 7.4. The reason why Δxmax2 takes the maximum value at s = 3.3 is unknown in detail because the movement in the positive direction before combustion, the spreading position, the restoring force of the pendulum, natural convection, etc. complicate the phenomenon. When the amount of movement in the x direction increases due to the pendulum mechanism, it is strongly influenced by upward natural convection. Therefore, since it is not known how the fuel vapor and burnt gas affect the movement of the third droplet, the experiment must be conducted in a microgravity environment without the influence of natural convection and the restoring force of the pendulum.

[燃え広がり遅れ時間]
第三液滴が燃え広がりが起こる前に正方向に移動する現象が燃え広がり誘導時間におよぼす影響を検討した。図36は無次元液滴間隔と無次元燃え広がり誘導時間τの関係を示している。第三液滴が固定液滴の場合の燃え広がり誘導時間は,第一と第二液滴間の燃え広がり誘導時間とした。固定−固定液滴間の場合のτは,無次元液滴間隔s = 6.2 付近で無限大になる。固定−移動液滴間のτはs = 5.8 付近で急激に大きくなる。無次元液滴間隔が5.5〜5.8 の範囲では,固定−移動液滴の場合,第三液滴が燃え広がり前に第二液滴から遠ざかるため,固定−移動液滴間の場合に比べてτが長くなり,燃え広がり限界は短くなると考えられる。
[Burning delay time]
The effect of the phenomenon in which the third droplet moves in the positive direction before the spreading spread on the burning spread induction time was investigated. FIG. 36 shows the relationship between the dimensionless droplet interval and the dimensionless flame spread induction time τ. The flame spread induction time when the third droplet was a fixed droplet was the flame spread induction time between the first and second droplets. Τ in the case of fixed-fixed droplets becomes infinite near the dimensionless droplet interval s = 6.2. Τ between fixed and moving droplets increases rapidly around s = 5.8. When the dimensionless droplet interval is in the range of 5.5 to 5.8, in the case of fixed-moving droplets, the third droplet moves away from the second droplet before spreading, so τ is smaller than that between fixed-moving droplets. It will be longer and the spread limit will be shorter.

[液滴直径0.3 mm の場合]
これまでの実験は初期液滴直径が約0.8mm を用いて行ってきた。初期液滴直径を小さくした場合,自然対流の影響が減少し,微小重力場における燃え広がり現象が観察できる。そこで,初期液滴直径を0.3mm とし,実験を行った。
[When droplet diameter is 0.3 mm]
Previous experiments have been performed using an initial droplet diameter of about 0.8 mm. When the initial droplet diameter is reduced, the effect of natural convection decreases and the spreading phenomenon in a microgravity field can be observed. Therefore, the initial droplet diameter was set to 0.3 mm and the experiment was conducted.

[無次元液滴間隔とモードの関係]
図37に初期液滴直径が0.3mm の場合の無次元液滴間隔とモードの関係を示した。燃え広がり限界は初期液滴直径0.8mm の液滴の場合,s が約6であるのに対し,初期液滴直径が0.3mm の場合は,s が約12 と2倍にまで増大していることがわかる。液滴直径が大きい場合,自然対流が強くなり液滴の火炎を上方へ引き延ばす。逆に液滴直径が小さい場合,自然対流は弱くなり火炎が球状に広がる。したがって,初期液滴直径0.8mmの場合と比較して,初期液滴直径に対する火炎燃え広がり方向の火炎直径が大きくなるため,燃え広がり限界を示すs が大きくなったと考えられる。
[Relationship between dimensionless droplet interval and mode]
FIG. 37 shows the relationship between the dimensionless droplet interval and the mode when the initial droplet diameter is 0.3 mm. The spread limit is about 6 for a droplet with an initial droplet diameter of 0.8 mm, whereas s is about 12 and doubled for an initial droplet diameter of 0.3 mm. I understand. When the droplet diameter is large, natural convection is strengthened and the flame of the droplet is extended upward. Conversely, when the droplet diameter is small, natural convection is weakened and the flame spreads in a spherical shape. Therefore, compared to the initial droplet diameter of 0.8 mm, the flame diameter in the flame spread direction with respect to the initial droplet diameter is larger, and it is considered that s indicating the flame spread limit has increased.

[燃え広がり前の燃料液滴の移動]
初期液滴直径0.3mm の場合においても,第三液滴の燃え広がり前の正方向移動が観察されたため,d0 = 0.8 mm の場合と同様なデータ整理を行った。
図38にΔxmax1 と無次元液滴間隔の関係を示す。 Δxmax1はs = 11 付近から減少している。d0 = 0.3 mm の場合の燃え広がり前の液滴の挙動は,d0 = 0.8mm の場合と定性的に同じであることがわかった。d0 = 0.3mm の場合のΔxmax1 の最大値はd0 = 0.8 mm の場合のそれと比較して約2 倍に増大している。液滴直径が減少すると液滴の移動が顕著になることがわかった。
[Movement of fuel droplets before spreading]
Even when the initial droplet diameter was 0.3 mm, the forward movement of the third droplet before spreading was observed, so the data was organized in the same way as when d0 = 0.8 mm.
FIG. 38 shows the relationship between Δxmax1 and the dimensionless droplet spacing. Δxmax1 decreases from around s = 11. It was found that the behavior of the droplet before spreading when d0 = 0.3 mm is qualitatively the same as when d0 = 0.8 mm. The maximum value of Δxmax1 when d0 = 0.3 mm is about twice as large as that when d0 = 0.8 mm. It was found that the movement of the droplet becomes significant when the droplet diameter decreases.

[燃え広がり後の液滴の挙動]
初期液滴直径0.3mm の場合は第三液滴の燃焼時間が短いため,燃焼後の移動を観察することができなかった。
[Drop behavior after spreading]
In the case of an initial droplet diameter of 0.3 mm, the movement after combustion was not observed because the combustion time of the third droplet was short.

[燃え広がり遅れ時間]
初期液滴直径0.3mmの場合の,無次元液滴間隔と無次元燃え広がり誘導時間τの関係を図39に示す。固定−固定液滴間の場合のτは初期液滴直径0.8 mm の場合と同じ定義にした。固定−固定液滴間の場合のτは,無次元液滴間隔s = 12.5 付近で無限大になる。固定−移動液滴間のτはs = 11.5 付近で急激に増大する。無次元液滴間隔が10〜11.5 の範囲では,固定−移動液滴間の場合,第三液滴が燃え広がり前に第二液滴から遠ざかるため,固定−固定液滴間と比べてτが長くなり、燃え広がり限界が小さくなると考えられる。初期液滴直径が0.3 mm の場合のτは,初期液滴直径が0.8 mm の場合のτと定性的に同じ無次元液滴間隔依存性を示した。
[Burning delay time]
FIG. 39 shows the relationship between the dimensionless droplet spacing and the dimensionless flame spread induction time τ when the initial droplet diameter is 0.3 mm. Τ between fixed and fixed droplets was defined the same as in the case of an initial droplet diameter of 0.8 mm. Τ between fixed and fixed droplets becomes infinite near the dimensionless droplet interval s = 12.5. Τ between fixed and moving droplets increases rapidly around s = 11.5. When the dimensionless droplet interval is in the range of 10 to 11.5, the τ is longer than that between the fixed and fixed droplets because the third droplet moves away from the second droplet before spreading and spreading between the fixed and moving droplets. Therefore, it is considered that the flame spread limit becomes smaller. When the initial droplet diameter was 0.3 mm, τ showed the same dimensionless droplet spacing dependence as τ when the initial droplet diameter was 0.8 mm.

[[PTV 計測]]
燃え広がりが起こる前に第三液滴が正方向へ移動した原因を詳しく調べるため,第二液滴に燃え広がりが起こることによって生じる流れをPTV 計測した。
[[PTV measurement]]
In order to investigate in detail the cause of the third droplet moving in the positive direction before the spread of the flares occurred, the flow generated by the spread of the flares in the second droplet was measured by PTV.

[トレーサ粒子直径、粒度分布測定結果]
トレーサ粒子直径の測定には粒度分布測定装置(LDSA)を用いた。実験開始当初,トレーサ粒子供給のため,空気の噴流を用いてトレーサ粒子を散布させていた.図40は空気噴流を用いた場合のトレーサ粒子径の粒度分布を示す。トレーサ粒子直径は約8μm と60μm に二つのピークの極値を持ち、1次粒子と、多数の1次粒子粒子が凝集した巨大な2次粒子とを含むことがわかる.しかし,超音波の振動を利用しトレーサ粒子を散乱させた場合の結果を図41に示す。トレーサ粒子直径は約2.9μmの付近の粒子が大部分であった。この結果を個数分布に変換すると図42になり,粒子直径約2.9μmのトレーサ粒子の個数が大部分であることがわかる.
[Tracer particle diameter, particle size distribution measurement results]
A particle size distribution analyzer (LDSA) was used to measure the tracer particle diameter. At the beginning of the experiment, tracer particles were sprayed using an air jet to supply tracer particles. FIG. 40 shows the particle size distribution of the tracer particle diameter when an air jet is used. It can be seen that the tracer particle diameter has extreme values of two peaks at about 8 and 60 μm, including primary particles and huge secondary particles in which many primary particles are aggregated. However, FIG. 41 shows the results when the tracer particles are scattered using ultrasonic vibration. Most of the tracer particle diameters were around 2.9 μm. When this result is converted into a number distribution, it becomes FIG. 42, and it can be seen that the number of tracer particles with a particle diameter of about 2.9 μm is the majority.

[顕微鏡写真結果]
図43にトレーサ粒子の顕微鏡写真を示す。メモリ間隔は10μm であり,丸で囲った中に見える点がトレーサ粒子である。トレーサ粒子直径は約2.0μm であった。粒度分布測定装置の測定結果と顕微鏡写真の測定結果が一致した。よって,小さいトレーサ粒子直径を供給することができたと考えることができる。
[Micrograph results]
FIG. 43 shows a micrograph of the tracer particles. The memory interval is 10 μm, and the dots that can be seen in the circle are the tracer particles. The tracer particle diameter was about 2.0 μm. The measurement result of the particle size distribution measuring device and the measurement result of the micrograph coincided. Therefore, it can be considered that a small tracer particle diameter could be supplied.

[トレーサ粒子の運動]
注入トレーサ法は,流れの場に流体と同じ動きをする種々の目印となる物質,いわゆるトレーサ粒子を加えて,その描く線および模様により流れの状況を可視化する方法である,これまで使用されている可視化手法の中で最も簡便で広く利用されている手法の一つである。
流れの状況を正確に把握するためには、流れに対して追随性の高いトレーサ粒子を選択し,それを十分に制御された方法で流れに混入する必要がある。
注入トレーサ法で流れを可視化するとき,使用するトレーサ粒子の流れへの追随性は、可視化の精度を左右する重要な因子の一つである。そのため,対象とする流れの速度,流れ場の形状,流体の種類などを考慮して,トレーサ粒子の流れへの追随性について予め検討しておく必要がある。追随性に影響する主な因子として,ブラウン運動,加速・振動場における追随性などがあげられる。本項においてはブラウン運動,加速,熱泳動の影響について検討を行う。
[Tracer particle motion]
The injection tracer method has been used so far by adding various landmark materials that move in the same manner as the fluid, so-called tracer particles, and visualizing the flow situation by the lines and patterns drawn. It is one of the most convenient and widely used methods among the visualization methods.
In order to accurately grasp the flow situation, it is necessary to select tracer particles having a high tracking ability with respect to the flow and mix it with the flow in a well-controlled manner.
When the flow is visualized by the injection tracer method, the followability of the tracer particles used to the flow is one of the important factors that influence the accuracy of the visualization. For this reason, it is necessary to consider in advance the tracer particle followability in consideration of the flow velocity, the shape of the flow field, the type of fluid, and the like. The main factors that influence follow-up include Brownian motion and follow-up in acceleration and vibration fields. In this section, we investigate the effects of Brownian motion, acceleration, and thermophoresis.

[粒子のブラウン運動]
空気の粒子が様々な方向から様々な速さで粒子に衝突することによって,粒子は規則性のない乱雑な動きをする。この動きをブラウン運動と呼ぶ.空気の粒子の熱運動は,温度が高くなれば活発になるため,ブラウン粒子も動きが活発になる.よって,空気の粒子が勢いよく衝突するため,ブラウン粒子が突き動かされる量も大きくなり,ブラウン運動は温度が高いほど活発になるということがわかる。ブラウン粒子が大きくなると,質量も大きくなるため,空気の粒子がブラウン粒子を突き動かす量は小さくなる。また,ブラウン粒子の表面積が広くなるため,一度に多量の空気の粒子が様々な方向から衝突することで,互いの力が打ち消しあい,ブラウン粒子が受ける力は小さくなる.このことから,ブラウン粒子が大きいとブラウン運動が起きにくくなることがわかる。
[Brownian motion of particles]
When particles of air collide with the particles from various directions and at various speeds, the particles move irregularly without regularity. This movement is called the Brownian movement. The thermal motion of air particles becomes active as the temperature rises, so the Brownian particles also become active. Therefore, the air particles collide vigorously, so the amount of Brownian particles driven increases, and the Brownian motion becomes more active as the temperature increases. The larger the brown particles, the larger the mass, so the amount of air particles that push the brown particles decreases. In addition, since the surface area of Brownian particles becomes large, when a large amount of air particles collide from various directions at once, the forces of each other cancel each other, and the force received by Brownian particles becomes small. This shows that Brownian motion is less likely to occur when the Brownian particles are large.

Figure 2005265486

ここで, k はボルツマン定数,T は流体の絶対温度, tは時間である.本発明では,流体温度2000 K とし,
Figure 2005265486

Where k is the Boltzmann constant, T is the absolute temperature of the fluid, and t is the time. In the present invention, the fluid temperature is 2000 K,

Figure 2005265486

と,表すことができる。本発明において,直径d=2.9 μm の粒子が1 ms でブラウン運動する移動距離は,
Figure 2005265486

It can be expressed as. In the present invention, the moving distance that a particle having a diameter d = 2.9 μm makes Brownian motion in 1 ms is

Figure 2005265486

となる.1 ms に移動する距離は, 0.18 m μ となり無視できる値である.
Figure 2005265486

It becomes. The distance traveled in 1 ms is 0.18 m μ, which is negligible.

[温度勾配による粒子の移動(熱泳動)]
温度勾配のある流れ場を浮遊する微小粒子は,熱泳動により高温部から低温部へ移動する.粒子の移動速度v は次式で与えられる。
[Movement of particles by temperature gradient (thermophoresis)]
Fine particles floating in a flow field with a temperature gradient move from a high temperature part to a low temperature part by thermophoresis. The moving speed v of the particles is given by

Figure 2005265486
Figure 2005265486

ここで,T は流体の絶対温度,dt / dy は流れ場の温度勾配,λf,λpは流体および粒子の熱伝導率である.本研究においては流体の温度t=300 k,熱伝導率λf = 0.0259W/m K ,動粘性係数νf= 15.5 mm2 / s, SiO2 の熱伝導率λP =1.38W/m Kであり,温度勾配dt/dyは準定常理論から断熱火炎温度2270 K とし算出すると400 K/mmに成る。 300 Kの空気中の移動速度vは、
v=0.558mm/s (17)
上式より1 ms に移動する距離は, 0.558μmとなり無視できる値である。
Where T is the absolute temperature of the fluid, dt / dy is the temperature gradient of the flow field, and λ f and λ p are the thermal conductivities of the fluid and particles. In this study, fluid temperature t = 300 k, thermal conductivity λ f = 0.0259 W / m K, kinematic viscosity ν f = 15.5 mm 2 / s, thermal conductivity of SiO 2 λ P = 1.38 W / m K The temperature gradient dt / dy is 400 K / mm when calculated from the quasi-stationary theory as the adiabatic flame temperature 2270 K. The moving speed v in the air of 300 K is
v = 0.558mm / s (17)
From the above equation, the distance traveled in 1 ms is 0.558 μm, which is negligible.

[粒子の加速]
ノズル,小孔などから粒子を流体に注に注入する場合,あるいは速度の変化する流れ場を粒子が流れるとき,粒子が流体速度uf に達するまでにある時間を要する。その間,粒子に作用する力は粒子を加速(または減速)する力と流体抵抗であり,流体抵抗はストークスの法則に従うものとする。粒子の加速度dup/dtは次のように表せる。
[Acceleration of particles]
When injecting particles into a fluid from a nozzle, small hole, etc., or when the particles flow through a flow field of varying speed, it takes some time for the particles to reach the fluid velocity uf. Meanwhile, the force acting on the particle is the force that accelerates (or decelerates) the particle and the fluid resistance, and the fluid resistance follows Stokes' law. The particle acceleration du p / dt can be expressed as follows.

Figure 2005265486

粒子の初期速度をゼロとすると粒子の速度p u は
Figure 2005265486

If the initial particle velocity is zero, the particle velocity pu is

Figure 2005265486

となる.したがって,粒子が流体速度の99%に達するまでの時間t
Figure 2005265486

It becomes. Therefore, the time t 0 until the particles reach 99% of the fluid velocity is

Figure 2005265486

となる.粒子の初期速度がゼロの場合について評価しており,粒子の初期速度が流体速度に近いほど加速時間と移動距離は小さくなる.平均粒直径2.9μm,密度2g/cm3 のSiO2 粒子,PTV 計測から得られた流速60 mm/s について,粒子が流速の99%に達するまでの時間0 t は0.26 ms である。撮影速度は1000 fps であるので,画像が更新されるまでにトレーサ粒子は流体の速度を十分に示していることがわかる。 これらトレーサ粒子の運動が計測に与える影響は小さいことがわかった。
Figure 2005265486

It becomes. The case where the initial velocity of the particle is zero is evaluated, and the acceleration time and the moving distance become smaller as the initial velocity of the particle is closer to the fluid velocity. For SiO2 particles with an average particle diameter of 2.9μm, density of 2g / cm3, and a flow rate of 60 mm / s obtained from PTV measurement, the time 0 t until the particles reach 99% of the flow rate is 0.26 ms. Since the imaging speed is 1000 fps, it can be seen that the tracer particles sufficiently indicate the fluid velocity before the image is updated. It was found that the movement of these tracer particles had little effect on the measurement.

[燃え広がりが発生する流れ]
図44は第二液滴に燃え広がりが生じてからのPTV 画像である。流れの挙動を時間とともに示した。第二液滴に燃え広がりが生じた時刻をゼロとした。t = -1 ms において,第一液滴が生じた流れが確認できる.t = 0〜4 ms は,第二液滴に燃え広がりが生じ,火炎が液滴の周りを囲む過程である。第二液滴を中心として放射状にベクトルが表示され,かつ第二液滴から遠ざかるに従いベクトルの長さが減少している。火炎近傍での流速は約120 mm/s である。t = 5〜10 では,火炎近傍のトレーサ粒子が存在しないため,火炎から離れた位置での流速が60 mm/s と観察された。第二液滴の燃え広がりによって生じた熱膨張流が第二液滴を中心として放射状に存在し,第二液滴から離れるに従い流速が減少している.t = 19 ms になると自然対流の影響が現れ,t = 30 ms では自然対流の影響が増大していることがわかる。
[Flow that spreads out]
FIG. 44 is a PTV image after the second liquid droplet spreads. The flow behavior was shown with time. The time when the second droplet spreads and spreads was set to zero. At t = -1 ms, the flow with the first droplet can be confirmed. t = 0 to 4 ms is the process in which the second droplet spreads and the flame surrounds the droplet. A vector is displayed radially around the second droplet, and the length of the vector decreases as the distance from the second droplet increases. The flow velocity near the flame is about 120 mm / s. At t = 5 to 10, there was no tracer particles near the flame, so the flow velocity at a position away from the flame was observed to be 60 mm / s. The thermal expansion flow generated by the spreading of the second droplet exists radially around the second droplet, and the flow velocity decreases with increasing distance from the second droplet. The effect of natural convection appears at t = 19 ms, and the effect of natural convection increases at t = 30 ms.

[初期速度の影響]
列方向にx 軸を設定し,第二液滴から第三液滴に向かう方向を正とした。トレーサ粒子はその供給装置の制約により,平均初期速度25 mm/s で鉛直上向きにx 軸と66°の角度をなして移動していた。平均x 方向速度は10 mm/s であった。速度計測範囲を図45に示す。点線で囲まれた範囲とし,流速データは各時刻において測定された速度ベクトルのy 成分の平均値とした。図46にy 方向速度と時間の関係を示す.時間の原点は第二液滴が燃え広がりを生じた時刻をゼロとした. t = -28 ms において,トレーサ粒子供給装置により,22mm/s の流れが生じている。t = -25 ms において,第一液滴が点火し,熱膨張流の影響を受けてy 方向速度が減少している。t = 0 ms において,第二液滴が燃え広がりを生じy 方向速度は0 mm/s になっている。つまり,第二液滴に燃え広がりが生じる時刻ではy 方向速度は存在せず,トレーサ粒子供給装置が作る流れが現象に与える影響は小さいと考えられる。
[Influence of initial speed]
The x-axis was set in the row direction, and the direction from the second droplet to the third droplet was positive. The tracer particles were moving vertically upward at an average initial velocity of 25 mm / s at an angle of 66 ° with the x-axis due to the constraints of the feeder. The average x-direction velocity was 10 mm / s. The speed measurement range is shown in FIG. The range enclosed by a dotted line is used, and the flow velocity data is the average value of the y component of the velocity vector measured at each time. Figure 46 shows the relationship between the velocity in the y direction and time. The origin of time was set to zero when the second droplet spread and spread. At t = -28 ms, a flow of 22 mm / s is generated by the tracer particle feeder. At t = -25 ms, the first droplet ignites, and the velocity in the y direction decreases due to the influence of the thermal expansion flow. At t = 0 ms, the second droplet spreads and the velocity in the y direction is 0 mm / s. In other words, there is no y-direction velocity at the time when the second droplet spreads and the flow produced by the tracer particle supply device is considered to have little effect on the phenomenon.

[流れの空間変化および時間変化]
図47はPTV 計測によって得られたベクトルを時系列で整理する際の計測範囲である。点線で囲まれた範囲で測定された速度ベクトルのx 成分の平均値をデータとした。x 軸方向流速と無次元距離の関係を時間の経過とともに図48に示した。第二液滴からの無次元距離x は,第二液滴中心からのx 軸方向距離を第二液滴の初期直径で除した値である。時刻の原点は第二液滴に燃え広がりが起こった時刻である.第一液滴と第二液滴の無次元液滴間隔は5.5 とした。 t = 0〜30 ms までは流速が30 mm/s を超えている。第一および第二液滴が生じた熱および既燃ガス流膨張流はs = 12.0 付近まで及んでいることがわかる。 このことは図33においてs = 6.0 付近まで第一液滴の熱膨張流の影響が及んでいることを示唆している。t = 50 ms になると,s > 6.0 の範囲では自然対流の影響が強くなり,負方向に流速が転じる。以上より,第三液滴に燃え広がりが起こる前は熱膨張流の影響を受けて第三液滴は正方向に移動し,その後自然対流の影響により負方向に移動したと考えられる。
[Flow spatial and temporal changes]
FIG. 47 shows a measurement range when vectors obtained by PTV measurement are arranged in time series. The average value of the x component of the velocity vector measured in the range surrounded by the dotted line was used as data. The relationship between the flow velocity in the x-axis direction and the dimensionless distance is shown in FIG. 48 over time. The dimensionless distance x from the second droplet is the value obtained by dividing the x-axis direction distance from the second droplet center by the initial diameter of the second droplet. The origin of the time is the time when the second droplet spreads. The dimensionless interval between the first and second droplets was 5.5. From t = 0 to 30 ms, the flow velocity exceeds 30 mm / s. It can be seen that the heat generated by the first and second droplets and the expanded flow of the burned gas extend to around s = 12.0. This suggests that the effect of the thermal expansion flow of the first droplet reaches about s = 6.0 in FIG. When t = 50 ms, the effect of natural convection becomes stronger in the range of s> 6.0, and the flow velocity turns in the negative direction. From the above, it is considered that the third droplet moved in the positive direction under the influence of the thermal expansion flow before the third droplet spread and then moved in the negative direction due to the effect of natural convection.

[熱膨張流]
図49にs = 5.7 における火炎燃え広がりの詳細連続画像を示す。第二液滴が燃え広がった時刻をゼロとした。t = 0 ms に第二液滴が燃え広がり火炎が発達していくのがわかる。t = 1 ms において,第二液滴の周囲を進行する火炎が観察できる.t = 2 〜 3 ms のでは,火炎の前縁を進行するトリプル火炎が観察される。t = 4 〜6 ms では,第二液滴を包み込むように火炎が進行し,衝突して吹き出している様子が観察された。火炎が吹き出しをPTV 計測して得られた結果として図50に示す。 流速を火炎が衝突している時刻においての画像を重ね合わせて流速を示した。第二液滴の火炎が衝突している位置において流速が大きくなっていることがわかる。流速は約150 mm/s であった。
[Thermal expansion flow]
FIG. 49 shows a detailed continuous image of flame spread at s = 5.7. The time when the second droplet spread and spread was set to zero. It can be seen that the second droplet burns and the flame develops at t = 0 ms. At t = 1 ms, a flame traveling around the second droplet can be observed. At t = 2 to 3 ms, a triple flame traveling along the leading edge of the flame is observed. At t = 4 to 6 ms, it was observed that the flame progressed to wrap around the second droplet, and collided and blown out. FIG. 50 shows the result obtained by PTV measurement of the flame. The flow velocity was superimposed on the images at the time when the flame collided to show the flow velocity. It can be seen that the flow velocity increases at the position where the flame of the second droplet collides. The flow rate was about 150 mm / s.

[[流れの物理的現象]]
[燃え広がり前の移動の計算]
第三液滴が燃え広がる前に第二液滴から遠ざかる現象について,簡単な計算を用いて移動の検証を行う.図51のように一様な流れの中に置かれた振り子が流れにより受ける抗力と重力のつりあいについて計算を行なった。一様な流れの流速はPTV 計測で得られた流速を用いた。以下に計算に用いた数値を示す。液滴半径r を0.4 ×10−3 m ,ヘプタンの密度ρを679.5 kg/m ,空気の粘性係数(大気圧,20℃の場合)μを1.822 ×10−7 Pa s 、PTV 計測より得られた流速V を 50 ×10−3 m ,懸垂線の腕の長さl を30 × 10−3 mとした。
液滴を球と仮定して質量を算出すると
[[Physical phenomenon of flow]]
[Calculation of movement before spreading]
The phenomenon of moving away from the second droplet before the third droplet spreads is verified using simple calculations. As shown in FIG. 51, the balance between the drag force and gravity received by the pendulum placed in a uniform flow was calculated. The flow velocity obtained by PTV measurement was used as the uniform flow velocity. The numerical values used for the calculation are shown below. Droplet radius r is 0.4 × 10 -3 m, heptane density ρ is 679.5 kg / m 3 , viscosity coefficient of air (at atmospheric pressure, 20 ° C) μ is 1.822 × 10 -7 Pa s, obtained from PTV measurement The flow velocity V was 50 × 10 −3 m, and the arm length l of the catenary line was 30 × 10 −3 m.
Assuming the droplet is a sphere and calculating the mass

Figure 2005265486
Figure 2005265486

上記の無次元移動距離Δx = 0.29 はつりあい位置での数値である.d0 = 0.8 mm の場合, Δxmax1 は約0.5 である.この数値は第三液滴の移動振幅の最大値であるため,釣り合い位置の値は0.25 であると推察される。以上の結果から,一様流れにおかれた振り子の計算結果と通常重力場のΔx の結果は良い一致を示している。 The dimensionless moving distance Δx = 0.29 above is the numerical value at the balanced position. When d 0 = 0.8 mm, Δxmax1 is about 0.5. Since this value is the maximum value of the movement amplitude of the third droplet, the value of the balance position is estimated to be 0.25. From the above results, the calculation result of the pendulum placed in a uniform flow and the result of Δx of the normal gravitational field are in good agreement.

[熱膨張流の流速計算]
PTV 計測より,第二液滴の燃え広がり初期において,第二液滴に形成された予混合層に火炎が伝わり,周囲の流体を押しのけている様子が確認された。図52は第一液滴の火炎の熱によって燃え広がりが生じた第二液滴の,予混合火炎伝播過程を表している。第二液滴の中心から半径r を取り,時間経過を示した。第二液滴に燃え広がりが生じた初期の段階では,火炎の半径が小さく,火炎が第二液滴を進行していくと同時に火炎の半径が増大していく.これは火炎によって加熱され既燃ガスが膨張し,液滴方向には膨張することができないため,液滴外側の方向に膨張したためと考えられる。この火炎半径の増大δF が,第二液滴の周囲の空気を押し出していると考え,簡易的に予混合気層火炎伝播時に発生する熱膨張流の流速を計測した。
図49の画像から第二液滴に燃え広がりが生じた瞬間の火炎の半径から球体の体積を算出した値をV1、燃え広がりが完了した瞬間の火炎の半径から球体の体積を算出した値をV2 とする。増大した体積ΔV は
[Velocity calculation of thermal expansion flow]
From the PTV measurement, it was confirmed that the flame was transmitted to the premixed layer formed on the second droplet and pushed the surrounding fluid away at the early stage of the second droplet spreading. FIG. 52 shows the premixed flame propagation process of the second droplet that has spread due to the heat of the flame of the first droplet. The radius r was taken from the center of the second droplet and the time was shown. At the initial stage when the flame spreads in the second droplet, the flame radius is small, and the flame radius increases as the flame advances through the second droplet. This is considered to be because the burned gas is heated by the flame and expands and cannot expand in the direction of the droplet, and therefore expands in the direction outside the droplet. The increase in flame radius δ F was considered to push out the air around the second droplet, and the flow velocity of the thermal expansion flow generated during propagation of the premixed gas layer flame was simply measured.
From the image of FIG. 49, V 1 is a value obtained by calculating the volume of the sphere from the flame radius at the moment when the flame spreads in the second droplet, and V 1 is a value obtained by calculating the volume of the sphere from the radius of the flame when the flame spread is completed. 2 Increased volume ΔV is

Figure 2005265486

となる。PTV 計測の結果では,熱膨張流の瞬間流速は約120 mm/s であった。計算で得られた結果は平均流速85 mm/s であり実験結果より小さい。火炎外側の気体の膨張を考慮していないこと,および,次のパラグラフで計算する燃焼ガス流速より大きな値を示していることより,定性的に本モデルは熱膨張流発生メカニズムを表現していると考えられる。
Figure 2005265486

It becomes. As a result of PTV measurement, the instantaneous flow velocity of the thermal expansion flow was about 120 mm / s. The calculated result is an average flow velocity of 85 mm / s, which is smaller than the experimental result. This model qualitatively expresses the mechanism of thermal expansion flow generation because it does not consider the expansion of the gas outside the flame and shows a value larger than the combustion gas flow velocity calculated in the next paragraph. it is conceivable that.

[第二液滴燃え広がり後の既燃ガス流速の計算]
第二液滴にエンベロープ火炎が成立した後の流れが既燃ガスの流れによって生じているのがどうかの検討を準定常理論を用いて行なった。準定常の状態に近いと考えられる。第二液滴が燃え広がりを生じてから10 ms 後の火炎外側の流速計算を行う(図44参照)。この状態では,火炎が球状であり,自然対流の影響が小さい.図53に計算の条件を示す。火炎の温度は断熱火炎温度とし,火炎および液滴の形状は球であるとする。また,火炎の位置は,PTV 計測で得られた火炎の位置を用いた。
図54に,単一液滴の場合の液滴直径の二乗の時間変化を示す。燃焼を開始してから燃焼速度定数kb は2 0.76 mm / s となった。この燃焼速度定数から式(3-12)を用いて蒸発量を計算すると
[Calculation of burnt gas flow velocity after second droplet spreading]
The quasi-stationary theory was used to examine whether the flow after the envelope flame was established in the second droplet was caused by the flow of burned gas. It is considered to be close to a quasi-stationary state. The flow velocity outside the flame is calculated 10 ms after the second droplet spreads and spreads (see FIG. 44). In this state, the flame is spherical and the influence of natural convection is small. FIG. 53 shows the calculation conditions. The temperature of the flame is the adiabatic flame temperature, and the shape of the flame and droplet is assumed to be a sphere. The flame position obtained by PTV measurement was used.
FIG. 54 shows the time variation of the square of the droplet diameter in the case of a single droplet. Since the start of combustion, the combustion rate constant kb was 2 0.76 mm / s. From this combustion rate constant, the evaporation amount is calculated using equation (3-12).

Figure 2005265486

になる。ヘプタン−空気予混合気の断熱火炎温度と燃焼によって生じる生成物質の分圧を断熱火炎温度プログラムより計算した。その結果を表12 に示す。液滴燃焼の場合,火炎が形成される位置での当量比は1と考えられることから,当量比1 においての断熱火炎温度と燃焼生成物の分圧率を算出した。断熱火炎温度TFlameは2270.072 K となり,燃焼生成物の分圧率は生成比率が大きい順にN2 =0.715, HO=0.135, CO =0.109 となる。この生成物質の分圧率からダルトンの法則より N, HO, CO の密度を求めると
Figure 2005265486

become. The adiabatic flame temperature of the heptane-air premixed gas and the partial pressure of the product produced by combustion were calculated from the adiabatic flame temperature program. The results are shown in Table 12. In the case of droplet combustion, the equivalent ratio at the position where the flame is formed is considered to be 1. Therefore, the adiabatic flame temperature and the partial pressure ratio of the combustion product at the equivalent ratio 1 were calculated. The adiabatic flame temperature TFlame is 2270.072 K, and the partial pressure ratios of the combustion products are N 2 = 0.715, H 2 O = 0.135, and CO 2 = 0.109 in descending order of generation ratio. The density of N 2 , H 2 O, CO 2 is obtained from Dalton's law from the partial pressure ratio of this product.

Figure 2005265486
Figure 2005265486

Figure 2005265486

となる。第二液滴に燃え広がりが生じてから10 ms 後の火炎面外縁の流速は,約38 mm/sであることがわかる。図48での第二液滴に燃え広がりが生じてから10 ms 後の火炎半径の無次元位置x = 2.2(実際の火炎半径は1.7 mm である)付近の流速は32 mm/s であり定量的に一致した。このことから,第二液滴に燃え広がりが生じてから10 ms 後の火炎面外側においては,既燃ガスが流れを生じていると考えられる.これらの計算により,モデルを簡略化したにもかかわらず,計算結果とPTV 計測の結果が定性的に一致した。
以上の考察から,燃え広がりによって生じる流れには二つの流れがあることが本発明によりわかった。
1, 火炎が第二液滴の予混合気層を伝播する際に発生する熱膨張流がつくる流れ。
2, 火炎伝播が完了した後,燃焼によって生じた既燃ガスがつくる流れ。
また,予混合火炎伝播により生じる熱膨張流の流速は既燃ガスによって生じる流れの流速よりも大きいことがわかった.
Figure 2005265486

It becomes. It can be seen that the flow velocity at the outer edge of the flame 10 ms after the spread of the second droplet is about 38 mm / s. The flow velocity around the dimensionless position x = 2.2 of the flame radius 10 ms after the spread of the second drop in Fig. 48 (actual flame radius is 1.7 mm) is 32 mm / s, which is quantitative. Matched. From this, it is considered that burned gas is flowing outside the flame surface 10 ms after the second droplet spreads. Although these calculations simplified the model, the calculation results and PTV measurement results qualitatively matched.
From the above consideration, it has been found by the present invention that there are two flows caused by the spread of the flame.
1, Flow created by a thermal expansion flow generated when a flame propagates through the premixed gas layer of the second droplet.
2, Flow created by burned gas generated by combustion after flame propagation is completed.
It was also found that the flow velocity of the thermal expansion flow generated by the premixed flame propagation is larger than the flow velocity generated by the burned gas.

[[微小重力場]]
[第三液滴の挙動]
自然対流の影響と振り子の復元力の影響を除去するため,微小重力環境で実験を行った。図55の連続写真は,s = 4.5 の場合の微小重力環境での火炎燃え広がり挙動である。第三液滴の移動を詳細に捉えるため,第二および第三液滴を拡大撮影した。図中の白線は第三液滴の初期位置である。微小重力環境の開始時刻をt = 0 s とした。x 軸およびy 軸は図54内に示されているように設定した。第一液滴への点火はt = 0.2 s に行った。t =0.2 s の写真は,第一液滴が点火した瞬間であり,この時点で3 つの液滴が一列に並んでいる.t = 0.3 s では第三液滴に燃え広がりが既に完了しおり,通常重力場の場合と同様,第三液滴が正方向に移動を開始している。t = 6.0 s では火炎が視野範囲外に成長するために画像には火炎が見えないが,燃焼は継続している。
図54の右側のグラフは,x 方向およびy 方向の無次元移動距離Δx およびΔy の時間変化を示している.t = 0 s ではx 方向の速度が零であることがわかる.第三懸垂線の構造上,微小重力環境に移行した際のy 方向移動を伴うが,その後の移動量は小さい。t = 0.20 s において第一液滴が点火し,t = 0.23 s において第二液滴への燃え広がりが完了した.この時刻あたりにおいて第三液滴の速度が増大していることより,第一および第二液滴の燃え広がりにより発生した熱膨張流によって,第二液滴から遠ざかる方向に第三液滴が力を受けたと考えられる。t = 0.26 s において第三液滴に燃え広がりが起こった。t = 0.3 s 以降はほぼ等速運動になりt = 0.6 s からは速度が減衰している。
[[Microgravity field]]
[Behavior of third droplet]
In order to eliminate the effects of natural convection and the restoring force of the pendulum, experiments were conducted in a microgravity environment. The continuous photographs in FIG. 55 show the flame spread behavior in a microgravity environment when s = 4.5. To capture the movement of the third droplet in detail, the second and third droplets were magnified. The white line in the figure is the initial position of the third droplet. The start time of the microgravity environment was t = 0 s. The x-axis and y-axis were set as shown in FIG. The first droplet was ignited at t = 0.2 s. The photo at t = 0.2 s is the moment when the first droplet ignites, and at this point, three droplets are aligned. At t = 0.3 s, the third droplet has already spread and the third droplet starts moving in the positive direction, as in the case of the normal gravitational field. At t = 6.0 s, the flame grows out of the field of view, so no flame is visible in the image, but combustion continues.
The graph on the right side of Fig. 54 shows the time variation of the dimensionless travel distances Δx and Δy in the x and y directions. It can be seen that the velocity in the x direction is zero at t = 0 s. Due to the structure of the third catenary line, there is a movement in the y direction when moving to a microgravity environment, but the subsequent movement is small. At t = 0.20 s, the first droplet ignited, and at t = 0.23 s, the spreading of the second droplet was completed. Since the velocity of the third droplet increases around this time, the third droplet exerts a force in the direction away from the second droplet due to the thermal expansion flow generated by the spreading of the first and second droplets. It is thought that I received it. At t = 0.26 s, the third droplet spreads and spreads. After t = 0.3 s, the motion is almost constant, and after t = 0.6 s, the velocity is attenuated.

以上、詳細な説明から明らかなように、本発明においては、噴霧燃焼における火炎と液滴の干渉に着目し,列方向移動可能な振り子懸垂線を用いて三燃料液滴列(第一固定懸垂液滴―第二固定懸垂液滴―第三列方向移動可能懸垂液滴)という一次元の単純なモデルを用いて燃料液滴列の燃え広がり計測を行うことができた。そして、通常重力場および微小重力場で行った火炎燃え広がり実験とPTV 計測行った結果,以下のような知見を得ることができた。
1. 第三液滴が燃え広がる前,第三液滴は第二液滴の熱膨張流を受けて第二液滴から遠ざかる方向に移動する.この無次元最大移動距離は無次元液滴間隔が増大するに伴って減少する.初期液滴直径が小さい場合も,同様な傾向が観察された.初期液滴直径が小さくなった場合の無次元最大移動距離は初期液滴直径が大きい場合の無次元最大移動距離に比べて約2 倍大きかった.つまり,初期液滴直径が減少するに伴い,無次元最大移動距離は増大する.
2. 第三液滴が燃え広がる前の第三液滴の移動を考察するため,第三液滴に水滴を用いて実験を行った.その結果,第三液滴が燃料の場合と同様な挙動を示した.つまり,無次元最大移動距離は無次元液滴間隔が増大するに伴って減少した.また,第三液滴の蒸発が移動におよぼす影響は小さいことがわかった.
3. 第三液滴に火炎が燃え広がった後,第三液滴は第二液滴から遠ざかる方向に移動する.第三液滴は,第二液滴および第三液滴が生じる燃料蒸気流や既燃ガス流により移動すると考えられる.第三液滴の燃え広がり後無次元最大移動距離は無次元液滴間隔3 付近で最大値をとった.
4. 固定−固定液滴間の燃え広がり誘導時間と固定−移動液滴間の燃え広がり誘導時間を比較すると,固定−移動液滴間の場合,第三液滴が第二液滴から遠ざかるため,燃え広がり限界距離付近では,燃え広がり誘導時間が固定−固定液滴間の場合より増大し,燃え広がり限界は減少する.燃え広がり限界付近以外の無次元液滴間隔では,燃え広がり誘導時間に差はみられなかった.液滴直径が小さい場合,燃え広がり誘導時間の無次元液滴間隔依存性は,液滴直径が大きい場合と定性的に同じであった.
5. PTV 計測より,第二液滴が生じる流れは,第二液滴から放射状に広がり,その流速は第二液滴から遠ざかるに伴って減少することがわかった.
6. 第二液滴を回り込んで進行するトリプル火炎が観察され,火炎が衝突する際の熱膨張流が吹き出している様子が確認された. PTV 計測により,吹き出し流速は約120 mm/sであった.
7. 燃え広がりによって生じる流れには二つの流れがあることがわかった.1)火炎が第二液滴の予混合気層を伝播する際に発生する熱膨張流がつくる流れ.瞬間流速は約120mm/s に達した.2)火炎伝播が完了した後,燃焼によって生じた既燃ガスがつくる流れ.火炎付近での流速は約40 mm/s に達した.また,予混合火炎伝播により生じる熱膨張流の流速は既燃ガスによって生じる流れの流速よりも大きいことがわかった.
8. 第三液滴は,燃え広がりが起こった後も,第二液滴から遠ざかる方向にほぼ等速で移動することが微小重力環境で観察された。
As is apparent from the detailed description above, in the present invention, focusing on the interference between the flame and the droplet in spray combustion, the three fuel droplet rows (first fixed suspension) using the pendulum suspension line movable in the row direction are used. Using a simple one-dimensional model (droplet-second fixed suspended droplet-movable suspended droplet in the third row direction), it was possible to measure the spread of fuel droplet rows. As a result of flame spread experiments and PTV measurements conducted in normal and microgravity fields, the following findings were obtained.
1. Before the third droplet burns and spreads, the third droplet receives the thermal expansion flow of the second droplet and moves away from the second droplet. This dimensionless maximum travel distance decreases as the dimensionless droplet spacing increases. A similar trend was observed when the initial droplet diameter was small. The dimensionless maximum travel distance when the initial droplet diameter was small was about twice as large as the dimensionless maximum travel distance when the initial droplet diameter was large. In other words, the dimensionless maximum travel distance increases as the initial droplet diameter decreases.
2. In order to consider the movement of the third droplet before the third droplet burns and spreads, an experiment was conducted using water droplets as the third droplet. As a result, the third droplet showed the same behavior as the fuel. In other words, the dimensionless maximum travel distance decreased as the dimensionless droplet spacing increased. The effect of evaporation of the third droplet on the movement was found to be small.
3. After the flame spreads over the third droplet, the third droplet moves away from the second droplet. The third droplet is thought to move by the fuel vapor flow and the burnt gas flow that generate the second and third droplets. The dimensionless maximum travel distance after spreading of the third droplet reached its maximum near the dimensionless droplet spacing3.
4. Comparing the flame spread induction time between the fixed and fixed droplets and the flame spread induction time between the fixed and moving droplets, the third droplet moves away from the second droplet between the fixed and moving droplets. In the vicinity of the limit distance, the flame spread induction time increases compared to the case between fixed and fixed droplets, and the flame spread limit decreases. There was no difference in the induction time for non-dimensional droplets other than the vicinity of the spread limit. When the droplet diameter is small, the dimensionless droplet spacing dependence of the flame spread induction time is qualitatively the same as when the droplet diameter is large.
5. From the PTV measurement, it was found that the flow in which the second droplet was generated spread radially from the second droplet, and the flow velocity decreased with increasing distance from the second droplet.
6. A triple flame traveling around the second droplet was observed, and it was confirmed that the thermal expansion flow was blown out when the flame collided. From the PTV measurement, the blowout flow rate was about 120 mm / s.
7. It was found that there are two flows caused by the spreading of the flame. 1) The flow created by the thermal expansion generated when the flame propagates through the premixed gas layer of the second droplet. The instantaneous flow velocity reached about 120mm / s. 2) The flow created by burned gas generated by combustion after flame propagation is completed. The flow velocity near the flame reached about 40 mm / s. It was also found that the flow velocity of the thermal expansion flow generated by the premixed flame propagation is larger than the flow velocity generated by the burned gas.
8. It was observed in the microgravity environment that the third droplet moved at almost constant speed in the direction away from the second droplet even after the spread of the flame.

本発明におけるプロトタイプの測定装置全体の概略図である。It is the schematic of the whole prototype measuring apparatus in this invention. 懸垂液滴の配置図である。It is a layout of suspended droplets. 第三Y字懸垂線を示した図である。It is the figure which showed the 3rd Y character catenary line. 本発明における計測装置における液滴生成装置の概略図である。It is the schematic of the droplet production | generation apparatus in the measuring device in this invention. 本発明における黄銅細管の調節装置である。It is an adjustment apparatus of a brass tubule in the present invention. 点火経路を示した図である。It is the figure which showed the ignition path | route. 本発明におけるスイッチボックスの概略、内部回路を示した図である。It is the figure which showed the outline and internal circuit of the switch box in this invention. 本発明の計測で実際に使用した一部のプログラムを示した図である。It is the figure which showed the one part program actually used by the measurement of this invention. 本発明における風洞実験でのPTV 画像記録のための代表的な装置例を示した図である。It is the figure which showed the typical apparatus example for the PTV image recording in the wind tunnel experiment in this invention. 本発明の計測装置例の全体の概略図である。1 is an overall schematic diagram of an example of a measuring apparatus according to the present invention. 計測装置における可視化範囲を示した図である。It is the figure which showed the visualization range in a measuring device. PTV実験装置の同期箱と各装置の配線を示した図である。It is the figure which showed the synchronous box of the PTV experimental apparatus, and the wiring of each apparatus. PTV計測のタイムチャートを示した図である。It is the figure which showed the time chart of PTV measurement. 銅蒸気レーザの概観を示した図である。It is the figure which showed the general view of the copper vapor laser. トレーサ粒子発生装置の概略図を示した図である。It is the figure which showed the schematic of the tracer particle generator. 重力分級装置の概略図を示した図である。It is the figure which showed the schematic of the gravity classification apparatus. 微小重力計測装置全体の概略図を示した図である。It is the figure which showed the schematic of the whole microgravity measuring apparatus. 微小重力環境を実現するための落下塔の図である。It is a figure of the fall tower for implement | achieving a microgravity environment. 落下カプセルを示した図である。It is the figure which showed the fall capsule. カプセル切り離し装置の概略図である。It is the schematic of a capsule separating device. コントロールパネルのスイッチ配置を表した図である。It is a figure showing switch arrangement of a control panel. 変更後の切り離し装置の構造を示した図である。It is the figure which showed the structure of the separation apparatus after a change. もあい結びを示した図である。FIG. 燃焼の準定常理論のモデルを示した図である。It is the figure which showed the model of the quasi-stationary theory of combustion. 燃料と空気の濃度分布を示した図である。It is the figure which showed concentration distribution of fuel and air. 温度分布を示した図である。It is the figure which showed temperature distribution. 燃え広がり形態を示した図である。It is the figure which showed the flame spread form. 初期液滴直径0.8mm の場合の無次元液滴間隔s とモードの関係を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a dimensionless droplet interval s and a mode when an initial droplet diameter is 0.8 mm. 火炎燃え広がり挙動の画像と第三液滴の挙動を時間変化で示した図である。It is the figure which showed the flame spread behavior image and the behavior of the 3rd droplet by time change. 火炎燃え広がり挙動の画像と第三液滴の挙動を時間変化で示した別の図である。It is another figure which showed the image of the flame spread behavior, and the behavior of the 3rd droplet by time change. 火炎燃え広がり挙動の画像と第三液滴の挙動を時間変化で示した別の図である。It is another figure which showed the image of the flame spread behavior, and the behavior of the 3rd droplet by time change. 火炎燃え広がり挙動の画像と第三液滴の挙動を時間変化で示した別の図である。It is another figure which showed the image of the flame spread behavior, and the behavior of the 3rd droplet by time change. 無次元液滴間隔と燃え広がりが起こる前の正方向無次元最大移動距離Δxmax1の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the dimensionless droplet space | interval and the positive direction dimensionless maximum moving distance (DELTA) xmax1 before spreading. 無次元液滴間隔と第三液滴のΔxmax1の関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between dimensionless droplet space | interval and (DELTA) xmax1 of the 3rd droplet. 初期液滴直径0.8mm の場合の無次元液滴間隔と燃焼後の無次元最大移動距離Δxmax2 の関係を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between a dimensionless droplet interval and a dimensionless maximum moving distance Δxmax2 after combustion when the initial droplet diameter is 0.8 mm. 無次元液滴間隔と無次元燃え広がり誘導時間τの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between a dimensionless droplet space | interval and dimensionless flame spread induction time (tau). 初期液滴直径が0.3mm の場合の無次元液滴間隔とモードの関係を示した図である。FIG. 5 is a diagram showing a relationship between a dimensionless droplet interval and a mode when an initial droplet diameter is 0.3 mm. Δxmax1 と無次元液滴間隔の関係を示した図である。FIG. 6 is a diagram showing a relationship between Δxmax1 and a dimensionless droplet interval. 初期液滴直径0.3mmの場合の,無次元液滴間隔と無次元燃え広がり誘導時間τの関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between dimensionless droplet space | interval and dimensionless flame spread induction time (tau) in the case of the initial droplet diameter of 0.3 mm. 空気噴流を用いた場合のトレーサ粒子径の粒度分布を示した図である。It is the figure which showed the particle size distribution of the tracer particle diameter at the time of using an air jet. 超音波の振動を利用しトレーサ粒子を散乱させた場合の結果を示した図である。It is the figure which showed the result at the time of scattering tracer particle | grains using the vibration of an ultrasonic wave. トレーサ粒子個数分布を示した図である。It is the figure which showed the tracer particle number distribution. トレーサ粒子径の顕微鏡写真図である。It is a microscope picture figure of a tracer particle diameter. 第2液滴のPTV画像を示した図である。It is the figure which showed the PTV image of the 2nd droplet. 平均y軸方向速度の計算範囲を示した図である。It is the figure which showed the calculation range of the average y-axis direction speed. y軸方向平均速度の時間変化を示した図である。It is the figure which showed the time change of the y-axis direction average speed. 平均x軸方向速度の計算範囲を示した図である。It is the figure which showed the calculation range of the average x-axis direction speed. x軸方向平均速度の時間変化を示した図である。It is the figure which showed the time change of the x-axis direction average speed. 第二液滴の火炎燃え広がりの様子を示した図である。It is the figure which showed the mode of the flame burning spread of the 2nd droplet. トリプル火炎と第二液滴からの熱膨張流噴出を表した図である。It is a figure showing the thermal expansion flow ejection from a triple flame and a 2nd droplet. 一様流を受ける液滴の振り子モデルを示した図である。It is the figure which showed the pendulum model of the droplet which receives a uniform flow. 予混合火炎伝播における周囲流速の計算モデルである。It is a calculation model of ambient flow velocity in premixed flame propagation. 準定常理論における火炎近傍での既燃ガス流速の計算モデルを示した図である。It is the figure which showed the calculation model of the burnt gas flow velocity in the flame vicinity in a quasi-stationary theory. 単一液滴の燃焼速度定数を示した図である。It is the figure which showed the combustion rate constant of the single droplet. 微小重力における第三液滴の挙動を示した図である。It is the figure which showed the behavior of the 3rd droplet in microgravity.

Claims (15)

(a)ハウジング内又は仕切空間内に、(b)列状に複数の模擬懸垂液滴核が取り付けられた懸垂線を支持する懸垂線支持台と、(c)前記複数の模擬懸垂液滴核に液体燃料を供給して該模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜を形成することにより模擬液滴を生成するための液滴生成装置と、(d)少なくとも前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域にトレーサ粒子雲を供給するためのトレーサ粒子供給装置と、(e)点火装置とを有し、かつ、前記ハウジング若しくは仕切空間内に又は外に(f)光学測定系と、(g)それらを制御するシーケンサ、を有する燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置であって、前記(d)トレーサ粒子供給装置が、トレーサ粒子源からニューマチック供給するトレーサ粒子供給路の途中で、該トレーサ粒子中の粗大粒子を除去して、粒径の揃った粒子のみを前記複数の模擬懸垂液滴核上に液体燃料の皮膜が形成される領域に供給するための(d1)トレーサ粒子選別手段を有するものであることを特徴とする燃焼伝播解析及び火炎燃え広がりの測定装置。 (A) In the housing or in the partition space, (b) A suspended line support base for supporting a suspended line in which a plurality of simulated suspended droplet nuclei are attached in a row, and (c) the plurality of simulated suspended droplet nuclei. A liquid droplet generator for supplying simulated liquid droplets by supplying liquid fuel to the simulated suspended droplet nuclei and forming a film of the liquid fuel on the simulated suspended droplet nuclei; and (d) at least the plurality of simulated suspended droplet nuclei A tracer particle supply device for supplying a tracer particle cloud to a region on which a film of liquid fuel is formed; and (e) an ignition device, and in or out of the housing or partition space (f A combustion propagation analysis and flame spread measurement device having an optical measurement system and (g) a sequencer for controlling them, wherein (d) the tracer particles are supplied pneumatically from a tracer particle source by the tracer particle supply device. Supply path On the way, coarse particles in the tracer particles are removed, and only particles having a uniform particle size are supplied to a region where a film of liquid fuel is formed on the plurality of simulated suspended droplet nuclei (d1). A combustion propagation analysis and flame spread measurement apparatus characterized by comprising a tracer particle sorting means. 前記(a)ハウジング又は仕切空間を形成する材料が、光透過性材料であることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The measuring apparatus according to claim 1, wherein (a) the material forming the housing or the partition space is a light transmissive material. 前記(b)懸垂線支持台は、点火装置に近い方から順に、第一固定懸垂液滴、第二固定懸垂液滴、第三移動懸垂液滴が取り付けられた懸垂線を支持するものであることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The (b) suspension line support base supports the suspension line to which the first fixed suspended droplet, the second fixed suspended droplet, and the third moving suspended droplet are attached in order from the side closer to the ignition device. The measuring apparatus according to claim 1. 前記(b)懸垂線支持台に支持される懸垂線は、一部が前記複数の模擬懸垂液滴核のうちの一部を懸垂線支持台に振り子運動しないように支持し、その余の模擬懸垂液滴核を振り子運動可能に支持する炭化珪素の太さ20μm以下の細線であり、該複数の模擬懸垂液滴核の間隔は調節自在であることを特徴とする請求項3に記載の測定装置。 (B) The catenary line supported by the catenary line support base partially supports a part of the plurality of simulated suspended droplet nuclei so as not to perform pendulum movement on the catenary line support base, and the other simulations 4. The measurement according to claim 3, wherein the thickness of the silicon carbide that supports the suspended droplet nuclei so as to allow pendulum movement is a thin line having a thickness of 20 μm or less, and the interval between the simulated suspended droplet nuclei is adjustable. apparatus. 前記複数の模擬懸垂液滴核が直径30〜800μmのセラミック球で、前記懸垂線又は懸垂線支持台に架け替え可能であることを特徴とする請求項3に記載の測定装置。 The measuring apparatus according to claim 3, wherein the plurality of simulated suspended droplet nuclei are ceramic spheres having a diameter of 30 to 800 μm and can be replaced with the suspended line or the suspended line support base. 前記(c)液滴生成装置が、空気スライドステージ、液体燃料容器、燃料送り装置、燃料供給管、黄銅細管及び調節装置から構成され、シーケンサによって電磁弁をON / OFF することにより、空気スライドステージの前進・後進が制御されるものであることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 (C) The droplet generating device is composed of an air slide stage, a liquid fuel container, a fuel feeding device, a fuel supply pipe, a brass thin tube, and a regulating device, and the air slide stage is turned on and off by a sequencer. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the forward / reverse movement is controlled. 前記燃料送り装置は、前記燃料供給管から前記黄銅細管へ導かれた燃料を噴射するマイクロシリンジとこれに接続しボールねじを介して燃料を模擬懸垂液滴に送り出すボールを有することを請求項6に記載の測定装置。 7. The fuel feeding device includes a microsyringe that injects fuel guided from the fuel supply pipe to the brass thin tube and a ball that is connected to the microsyringe and feeds the fuel to a simulated suspended droplet through a ball screw. The measuring device described in 1. 前記(c)液滴生成装置に生成される模擬液滴が、直径150〜1600μmであることを請求項1又は6のいずれかに記載の測定装置。 The measuring device according to claim 1, wherein the simulated droplet generated in the (c) droplet generating device has a diameter of 150 to 1600 μm. 前記(d)のトレーサ粒子供給装置が、体積平均粒径0.05〜12.0μmのシリカ粒子を貯蔵する粒子タンクと、粒子供給管と、粒子雲吐出管とを有し、該粒子雲吐出管には、エアータンクとレギュレータと、ソレノイドバルブと、流量コントローラとを介して粒子供給管に送気して粒子雲を形成するための送気管を有し、また、該粒子雲吐出管の先端は、前記燃料供給のための黄銅細管の直下に位置することを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The tracer particle supply apparatus (d) has a particle tank for storing silica particles having a volume average particle diameter of 0.05 to 12.0 μm, a particle supply pipe, and a particle cloud discharge pipe. The pipe has an air supply pipe for supplying air to the particle supply pipe via an air tank, a regulator, a solenoid valve, and a flow rate controller to form a particle cloud, and the tip of the particle cloud discharge pipe The measuring device according to claim 1, wherein the measuring device is located immediately below a brass thin tube for supplying the fuel. 前記(d1)トレーサ粒子選別手段の近傍に、さらに、粒度分布測定装置を有することを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The measuring apparatus according to claim 1, further comprising a particle size distribution measuring apparatus in the vicinity of the (d1) tracer particle sorting unit. 前記(e)点火装置は、直流電源からの電圧をステップアップするための昇圧トランスを含む点火電力回路を有し、点火装置へのトリガー出力を点火装置と直結したときの点火装置からのノイズがシーケンサやその他の障害を避けるためのリレーを介してシーケンサにより制御される電気火花点火装置であることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The (e) ignition device has an ignition power circuit including a step-up transformer for stepping up a voltage from a DC power source, and noise from the ignition device when a trigger output to the ignition device is directly connected to the ignition device. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the measuring apparatus is an electric spark ignition device controlled by a sequencer via a sequencer and a relay for avoiding other obstacles. 前記(f)光学測定系が、レーザーフィルム照射手段と、ハイスピードビデオカメラ又はCCDアレイを有するCCDデジタルカメラとを有するものであることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 2. The measuring apparatus according to claim 1, wherein (f) the optical measurement system includes a laser film irradiation means and a high-speed video camera or a CCD digital camera having a CCD array. 前記(g)シーケンサは、CPUユニット,増設出力ユニット,電源ユニットから成り、スイッチボックスと共に制御装置を構成し、ステッピングモータ,電磁弁、点火装置および前記光学測定系を制御するものであることを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 The (g) sequencer is composed of a CPU unit, an extension output unit, and a power supply unit, constitutes a control device together with a switch box, and controls a stepping motor, a solenoid valve, an ignition device, and the optical measurement system. The measuring apparatus according to claim 1. 装置全体を覆うカプセルと、該カプセルを落下塔に引き揚げるためのカプセル揚場手段と、該カプセル揚場手段から該カプセルを切り離して該カプセルを自由落下させるためのカプセル切離手段と、落下した該カプセルを受け止めた際に衝撃力を緩衝させる緩衝手段とを有する微小重力付与手段をさらに有することを特徴とする請求項1に記載の測定装置。 A capsule covering the entire apparatus, a capsule lifting means for lifting the capsule to a drop tower, a capsule separating means for separating the capsule from the capsule lifting means and allowing the capsule to fall freely, and the dropped capsule The measuring apparatus according to claim 1, further comprising a microgravity imparting unit having a buffer unit that cushions an impact force when received. 請求項1乃至14のいずれか1に記載の測定装置を用い、前記(f)光学測定系により送信された気流画像の情報をコネクタによりモニタ用と記録用に分岐し、モニタ画像を目視により確認しながら録画・記録し、記録された気流画像を、必要に応じて2値化し、該2値化画像データを、必要に応じてメモリに呼出自在に格納して強調、平均化及び/又は選択からなる画像情報処理を実行し、該2値化画像データをグラフ化することを特徴とする燃料液滴粒子間のPTV計測による火炎伝播モードの試験方法。

The measurement device according to any one of claims 1 to 14, wherein the information on the airflow image transmitted by the optical measurement system (f) is branched for monitoring and recording by a connector, and the monitor image is visually confirmed. While recording and recording, the recorded airflow image is binarized as necessary, and the binarized image data is stored in a memory as required to be emphasized, averaged and / or selected. A flame propagation mode test method based on PTV measurement between fuel droplet particles, wherein the image information processing is executed and the binarized image data is graphed.

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