JP2008281314A - Method and device for controlling flame of jet type coombustor - Google Patents

Method and device for controlling flame of jet type coombustor Download PDF

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光智 廣田
Goro Masutani
五郎 升谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a control method and a device therefor, capable of precisely controlling the direction and the size of a flame by a simple technique on a floating jet diffusing flame. <P>SOLUTION: This flame control method of a jet type combustor controls combustion in the jet type combustor 1 by changing a floating jet flame by exciting vibration in a flame flowing field. Thus, optimal combustion operation can be realized for improving stability in the flame such as the expansion of a blowing-off limit, in addition to a change in the floating height of a floating flame, by adjusting vibration exciting strength and a position of the flame flowing field for exciting the vibration. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、噴流型燃焼器における火炎の方向や大きさを的確に制御できる制御方法及びそのための装置に関する。   The present invention relates to a control method capable of accurately controlling the direction and size of a flame in a jet-type combustor and an apparatus therefor.

長年に渡って、熱機関の効率向上のための排熱再生や燃焼温度上昇のための新材料開発、有害排出物の削減のための後処理技術などの様々な技術開発が行われてきた。一方で、燃焼自体の改善という面では、燃焼効率と有害排出物とはトレードオフの関係にあることや非常に複雑な現象であることから、それらを極限まで突き詰めた燃焼器の設計をすることは困難であった。この燃焼器の最適を目指して、近年では、学術的な燃焼現象の解明も進められており、計算機性能の著しい向上による燃焼シミュレーション技術、さらには新素材・電子制御技術との融合により、新たな燃焼システムの開発が試みられている。例えば、HiCOTなどの次世代燃焼技術、マイクロガスタービンなどの分散電源システム、ピエゾインジェクタによる次世代型ディーゼルエンジン燃焼技術などが挙げられる。このような次世代の理想的な燃焼器開発を行うには、基礎的な燃焼現象の解明、実燃焼器に応用されうる多角的な技術開発の両方が必要であり、最終的にそれらを融合させていくことが重要である。   Over the years, various technological developments such as exhaust heat regeneration for improving the efficiency of heat engines, development of new materials for increasing combustion temperature, and post-treatment technology for reducing harmful emissions have been carried out. On the other hand, in terms of improving the combustion itself, there is a trade-off relationship between combustion efficiency and harmful emissions, and it is a very complicated phenomenon. Was difficult. In recent years, with the aim of optimizing this combustor, academic combustion phenomena have also been elucidated. Combustion simulation technology by remarkably improving computer performance, as well as new materials and electronic control technology, will lead to new technologies. Attempts have been made to develop combustion systems. Examples include next-generation combustion technologies such as HiCOT, distributed power systems such as micro gas turbines, and next-generation diesel engine combustion technologies using piezo injectors. In order to develop such an ideal next-generation combustor, it is necessary to elucidate basic combustion phenomena and to develop various technologies that can be applied to actual combustors. It is important to let them.

火炎の燃焼状態は、燃焼前における燃料と酸化剤の混合状態によって予混合火炎と拡散火炎の2つに分類される。予混合火炎は、燃料と酸化剤が予め混合された状態で燃焼する火炎であり、伝播性を有する。一方で、拡散火炎(非予混合火炎)は、燃料と酸化剤が別々にバーナへ供給され、それらの混合は拡散過程によって行われて燃焼する火炎である。燃焼の進行は燃料と酸化剤の拡散速度で律せられ、予混合火炎のような伝播性を有しない。   The combustion state of a flame is classified into two types, a premixed flame and a diffusion flame, depending on the mixed state of fuel and oxidant before combustion. The premixed flame is a flame that burns in a state where the fuel and the oxidant are mixed in advance, and has a propagating property. On the other hand, a diffusion flame (non-premixed flame) is a flame in which fuel and oxidant are separately supplied to a burner, and mixing thereof is performed by a diffusion process and burns. The progress of combustion is governed by the diffusion rate of fuel and oxidant, and does not have the propagating properties of premixed flames.

従って、拡散火炎は、逆火や爆発といった危険な現象を起こさないため、実燃焼器において噴流拡散火炎が広く用いられており、研究例も多い。この噴流拡散火炎は、火炎をバーナから浮き上がらせることでNOxが低減すると期待されている。Fujimori等は、浮き上がり火炎基部(バーナリムから浮き上がった状態で定在する火炎の最上流部)の上流で燃料と酸化剤の混合が促進され、NOx低減に効果的であると報告している。この浮き上がり噴流火炎は、噴流バーナから火炎が浮き上がることでバーナリムとの接触を避け、バーナリムを構成する金属などの材料の損傷を防ぐという利点がある。その反面、バーナリムに付着した火炎やパイロットバーナなどで保炎されている火炎に比べ安定性に劣り、吹き飛びが生じやすいなどの欠点がある。 Therefore, since diffusion flames do not cause dangerous phenomena such as flashback and explosion, jet diffusion flames are widely used in actual combustors, and there are many research examples. This jet diffusion flame is expected to reduce NO x by raising the flame from the burner. Fujimori, etc. is facilitated mixing of fuel and oxidant upstream of the flame base (most upstream portion of the flame that standing in a state of floating from Banarimu) floating, it is reported to be effective in NO x reduction. This floating jet flame has an advantage that the flame is lifted from the jet burner to avoid contact with the burner rim and to prevent damage to materials such as metal constituting the burner rim. On the other hand, the flame is inferior in stability and easily blown off as compared with a flame adhered to a burner rim or a flame held by a pilot burner or the like.

従来、低NOx燃焼装置において、希薄火炎の濃度を更に薄くすることで更に低NOx化を図り且つ燃焼量可変を確保するような技術が提案されている。具体的には、希薄室と連通し希薄混合気を供給する希薄炎口と、この希薄室に隣接した第一混合気室に連通し希薄炎口に近接した第一炎口と、前記第一混合気室に隣接した第二混合気室に連通し前記第一炎口に近接して設けた第二炎口を有し、第一混合気室の濃度を第二混合気室の濃度より濃くすると共に、希薄混合気と第一混合気と第二混合気の流量を同率で増減させるようになっており、燃焼量を増減した時も希薄炎口から噴出した淡混合ガスと第一炎口から噴出した濃混合ガスは流れのパターンが相似的となり、流れの濃度差が維持されるため、濃混合ガスからの物質拡散が安定して持続され、希薄混合気の濃度を小さくして超低NOx化を図るものである(例えば、特許文献1参照)。 Conventionally, in low-NO x combustion apparatus, techniques such as to ensure and combustion amount varying achieving further lower NO x reduction by further thinning the concentration of dilute flame has been proposed. Specifically, a lean flame port that communicates with the lean chamber and supplies a lean mixture, a first flame port that communicates with the first mixture chamber adjacent to the lean chamber and is close to the lean flame port, and the first A second flame port provided in close proximity to the first flame port in communication with the second gas mixture chamber adjacent to the gas mixture chamber, wherein the concentration of the first gas mixture chamber is higher than the concentration of the second gas mixture chamber; At the same time, the flow rates of the lean mixture, the first mixture, and the second mixture are increased or decreased at the same rate, and even when the combustion amount is increased or decreased, Because the flow pattern of the rich mixed gas ejected from the flow is similar and the flow concentration difference is maintained, material diffusion from the rich mixed gas is stably maintained, and the concentration of the lean mixed gas is reduced to a very low level. it is intended to reduce the NO x reduction (e.g., see Patent Document 1).

特開2002−48337号公報(第6頁、第1図)JP 2002-48337 A (page 6, FIG. 1)

しかし特許文献1のような希薄混合気の濃度の制御による浮き上がり噴流拡散火炎の制御では、実燃焼器の高効率化及び環境負荷低減に対しては、有利なものとなるが、その一方、火炎の安定性制御として未だ十分なものではなく、かつ排出ガス中の窒素酸化物などの有害排出物の低減と、燃焼温度を可能な限り高める燃焼状態とを両立できるものではない。   However, the control of the rising jet diffusion flame by controlling the concentration of the lean air-fuel mixture as in Patent Document 1 is advantageous for improving the efficiency of the actual combustor and reducing the environmental load. However, it is not yet sufficient as a stability control, and it is not possible to achieve both a reduction in harmful emissions such as nitrogen oxides in the exhaust gas and a combustion state in which the combustion temperature is increased as much as possible.

本発明は、浮き上がり噴流拡散火炎の安定性は、特に火炎の最上流端における火炎基部の特性に依存している。これは、バーナ出口から火炎基部に至るまでに燃料と酸化剤が部分的に予混合化される領域があり、この予混合化の度合いによっては火炎基部が伝播性を有し、そこに流入する流速と釣り合う高さに定在するという考察に立ち、実燃焼器の最適化を目指す上で、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子として火炎上流の流れ場及び混合場に着目し、それらを能動的に制御する手法、すなわち浮き上がり噴流拡散火炎を簡便な手法により、火炎の方向や大きさを的確に制御できる制御方法及びそのための装置を提供することを目的とする。   In the present invention, the stability of the rising jet diffusion flame depends on the characteristics of the flame base, particularly at the most upstream end of the flame. This is because there is a region where the fuel and oxidant are partially premixed from the burner outlet to the flame base, and depending on the degree of premixing, the flame base has propagating properties and flows into it. In consideration of the fact that it is fixed at a height that matches the flow velocity, aiming at optimization of the actual combustor, focusing on the flow field and mixing field upstream of the flame as factors that influence the combustion state of the rising jet flame, It is an object of the present invention to provide a control method and an apparatus therefor capable of accurately controlling the direction and size of a flame by a method of actively controlling a floating jet diffusion flame by a simple method.

上記課題を解決するために、本発明の請求項1に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、
火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことを特徴としている。
この特徴によれば、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
In order to solve the above problem, a flame control method for a jet-type combustor according to claim 1 of the present invention provides:
It is characterized by controlling the combustion in a jet-type combustor by changing the jet flame by raising vibration excitation in the flow field of the flame.
According to this feature, by adjusting the strength of vibration excitation, the position of the flow field of the flame that gives vibration excitation, etc., in addition to changes in the lift height of the rising flame, etc. This makes it possible to achieve optimal combustion operation for improving stability.

本発明の請求項2に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、請求項1に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法であって、
前記振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることを特徴としている。
この特徴によれば、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子が、火炎上流の流れ場ないしは混合場であることが判明し、この部分を振動励起で制御することにより、最適な制御が可能となる。
A flame control method for a jet type combustor according to claim 2 of the present invention is the flame control method for a jet type combustor according to claim 1,
The flow field of the flame to which the vibration excitation is applied is a flow field or a mixing field upstream of the flame.
According to this feature, it was found that the factor that determines the combustion state of the rising jet flame is the flow field or mixing field upstream of the flame, and optimal control is possible by controlling this part with vibration excitation. Become.

本発明の請求項3に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法は、請求項1または2に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法であって、
火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することを特徴としている。
この特徴によれば、燃料系の密度の選択により、容易に火炎の偏向方向制御が可能となる。
The flame control method for a jet type combustor according to claim 3 of the present invention is the flame control method for a jet type combustor according to claim 1 or 2,
When deflecting the deflection direction of the flame to the ventral side of the pressure in the standing wave as the control of the deflection direction of the flame, the density of the fuel system is selected to be smaller than the surrounding gas and the deflection direction of the flame is set to the standing wave. In the case of deflecting to the node side of the pressure, the density of the fuel system is selected to be larger than the surrounding gas.
According to this feature, the deflection direction of the flame can be easily controlled by selecting the density of the fuel system.

本発明の請求項4に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置は、
火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことを特徴としている。
この特徴によれば、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。
A flame control device for a jet-type combustor according to claim 4 of the present invention,
A vibration excitation means is arranged in the vicinity of the flame flow field, and the vibration control is performed by applying vibration excitation to the flame flow field by the vibration excitation means to change the floating jet flame.
According to this feature, by adjusting the strength of vibration excitation, the position of the flow field of the flame that gives vibration excitation, etc., in addition to changes in the lift height of the rising flame, etc. This makes it possible to achieve optimal combustion operation for improving stability.

本発明の請求項5に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置は、請求項4に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置であって、
前記振動励起手段が、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることを特徴としている。
この特徴によれば、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置させることで、噴流が偏向される作用に優れ、かつ振動励起により噴流の乱流化を助長でき、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用を効果的に得ることが出来る。
The flame control device for a jet combustor according to claim 5 of the present invention is the flame control device for a jet combustor according to claim 4,
The vibration excitation means is high-frequency vibration that forms a standing wave between a pair of vibration surfaces and a reflection surface.
According to this feature, the jet center is located near the center of the standing wave pressure node and the antinode, so that the jet can be deflected, and the turbulence of the jet can be promoted by vibration excitation. Compared with the case where the fuel is not performed, the effect of promptly mixing the fuel and the oxidant can be effectively obtained.

本発明の実施例を以下に説明する。   Examples of the present invention will be described below.

本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図1は、噴流型燃焼器に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図である。図2は、バーナ上で形成される浮き上がり噴流火炎の写真及びバーナの一部断面図である。図3は、燃料流速と空気流速の条件による噴流火炎の基本特性を示す図である。図4は、代表的な火炎についての写真である。図5は、振動励起システム全体の概念図である。図6は、高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真である。図7は、振動面と反射面との間の定在波を示す図である。図8は、火炎の浮上がり高さの定義とバーナからの火炎のずれの定義を示す図である。図9は、各計測における流速設定条件を示す図である。図10(a)は、ケースAにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、(b)は、(a)と同じく写真である。図11(a)は、ケースBにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、(b)は、(a)と同じく写真である。図12は、振動励起による浮上がり高さの変化について計測条件を分類した表である。図13は、Vf=0.7m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図14は、Vf=1.4m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図15は、Vf=2.1m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図16は、Vf=2.8m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図17は、Vf=4.2m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図18は、Vf=5.6m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図19は、Vf=7.0m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。図20は、アセトンPLIF法について計測条件を分類した表である。図21は、振動励起システムの配置、レーザシート光の照射方向を示す図である。図22は、ケース2-iにおける計測結果を示す図である。図23は、ケース2-iiにおける計測結果を示す図である。図24は、ケース5-iiiにおける計測結果を示す図である。図25は、ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。図26は、ケース5-iii,ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。図27は、ケース6-vにおける計測結果を示す図である。図28は、ケース6-viにおける計測結果を示す図である。図29は、ケース6-v及びケース6-viにおける計測結果を示す図である。図30は、メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果を示す図である。   An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, FIG. 1 is an overall view of a fuel and oxidant supply system supplied to a jet-type combustor. FIG. 2 is a photograph of a floating jet flame formed on the burner and a partial cross-sectional view of the burner. FIG. 3 is a diagram showing the basic characteristics of a jet flame depending on the fuel flow rate and air flow rate conditions. FIG. 4 is a photograph of a typical flame. FIG. 5 is a conceptual diagram of the entire vibration excitation system. FIG. 6 is a photograph of the burner adhesion flame at the time of high frequency vibration excitation. FIG. 7 is a diagram illustrating a standing wave between the vibration surface and the reflection surface. FIG. 8 is a diagram showing the definition of the lift height of the flame and the definition of the deviation of the flame from the burner. FIG. 9 is a diagram showing flow rate setting conditions in each measurement. FIG. 10A is a diagram showing a change in the flame standing position in case A, and FIG. 10B is a photograph similar to FIG. FIG. 11A is a diagram showing a change in the flame standing position in case B, and FIG. 11B is a photograph similar to FIG. FIG. 12 is a table in which measurement conditions are classified for changes in the floating height due to vibration excitation. FIG. 13 is a diagram showing the lifting height at Vf = 0.7 m / s. FIG. 14 is a diagram showing the lifting height at Vf = 1.4 m / s. FIG. 15 is a diagram showing the lifting height at Vf = 2.1 m / s. FIG. 16 is a diagram showing the lifting height at Vf = 2.8 m / s. FIG. 17 is a diagram showing the lifting height at Vf = 4.2 m / s. FIG. 18 is a diagram showing the lifting height at Vf = 5.6 m / s. FIG. 19 is a diagram showing the lifting height at Vf = 7.0 m / s. FIG. 20 is a table in which measurement conditions are classified for the acetone PLIF method. FIG. 21 is a diagram illustrating the arrangement of the vibration excitation system and the irradiation direction of the laser sheet light. FIG. 22 is a diagram illustrating a measurement result in case 2-i. FIG. 23 is a diagram illustrating a measurement result in case 2-ii. FIG. 24 is a diagram illustrating a measurement result in case 5-iii. FIG. 25 is a diagram illustrating a measurement result in case 5-iv. FIG. 26 is a diagram illustrating measurement results in case 5-iii and case 5-iv. FIG. 27 is a diagram illustrating a measurement result in case 6-v. FIG. 28 is a diagram showing a measurement result in case 6-vi. FIG. 29 is a diagram illustrating measurement results in case 6-v and case 6-vi. FIG. 30 is a diagram showing the result of visualizing a jet using methane and argon.

図1に、噴流型燃焼器としての同軸噴流型のバーナ1に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図を示す。燃料としてメタン、酸化剤として乾燥空気を用いている。メタンはガスボンベ2に取り付けられた調圧器3で所定の圧力(本実施例では0.24Mpa)に調圧した後、流量調節器5で流量を調節され、その体積流量は電子式流量計4により表示される。流量調節されたメタンは開閉弁15を通過し、開閉弁6aを介してバーナ1に直接に導入される第1の流路(図中(a))と、開閉弁6bを介して接続されたアセトンを添加するアセトン添加部16を経由してバーナ1に導入される第2の流路(図中(b))とに分岐される。なお、一方の流路を使用する際には、他方の流路に介在する開閉弁6a若しくは6bは閉じられる。   FIG. 1 shows an overall view of a fuel and oxidant supply system supplied to a coaxial jet burner 1 as a jet combustor. Methane is used as fuel and dry air is used as oxidant. Methane is adjusted to a predetermined pressure (0.24 MPa in this embodiment) by a pressure regulator 3 attached to the gas cylinder 2, and then the flow rate is adjusted by a flow rate regulator 5. The volume flow rate is displayed by an electronic flow meter 4. Is done. The flow-adjusted methane passes through the on-off valve 15 and is connected to the first flow path ((a) in the figure) directly introduced into the burner 1 through the on-off valve 6a through the on-off valve 6b. It branches to the 2nd flow path ((b) in a figure) introduced into the burner 1 via the acetone addition part 16 which adds acetone. When one channel is used, the on-off valve 6a or 6b interposed in the other channel is closed.

同様に、乾燥空気はガスボンベ7に取り付けられた調圧器8で所定の圧力(本実施例では0.26Mpa)に調圧した後、流量調節器18及び電子式流量計9により体積流量を調整され、開閉弁17を通過してバーナ1に導かれる。設定条件に応じた体積流量に調節された燃料と酸化剤は、それぞれ主流、周囲流としてバーナ1に導入される。   Similarly, the dry air is adjusted to a predetermined pressure (0.26 Mpa in this embodiment) by a pressure regulator 8 attached to the gas cylinder 7, and then the volume flow rate is adjusted by the flow controller 18 and the electronic flow meter 9, It passes through the on-off valve 17 and is guided to the burner 1. The fuel and the oxidant adjusted to the volume flow rate corresponding to the set conditions are introduced into the burner 1 as a main flow and an ambient flow, respectively.

図2に、バーナ1本体の詳細を示す。バーナ1は、定在高さが高く、かつ安定な浮き上がり噴流火炎を形成するために同軸噴流型を用いている。上述した供給系によりバーナ1に導入された燃料及び酸化剤流は、バーナ1内部で直径2mmのシリカビーズを満たした層を通過させることで十分に整流を施した。主流である燃料流は、内側整流部1aを通過した後、金属メッシュ1bで十分に乱れを抑制し、内側ノズル1cを介して周囲流中に噴出される。同様に、周囲流である酸化剤は、外側整流部1dと金属メッシュ1bで乱れを抑制した後、外側ノズル1eより静止大気中に噴出される。   FIG. 2 shows details of the burner 1 main body. The burner 1 has a high standing height and uses a coaxial jet type in order to form a stable floating jet flame. The fuel and oxidant flow introduced into the burner 1 by the supply system described above were sufficiently rectified by passing through a layer filled with silica beads having a diameter of 2 mm inside the burner 1. After passing through the inner rectification unit 1a, the mainstream fuel flow is sufficiently disturbed by the metal mesh 1b and ejected into the surrounding flow through the inner nozzle 1c. Similarly, the oxidant, which is the ambient flow, is suppressed from being disturbed by the outer rectifying unit 1d and the metal mesh 1b, and then ejected from the outer nozzle 1e into the stationary atmosphere.

本実施例では、浮き上がり噴流火炎の燃焼能動制御を目指して、浮き上がり領域において高周波振動により励起を行い、流れ場及び混合場を変化させる実験を行った。振動励起による影響を明確にするために、周囲雰囲気の乱れの影響などを極力減らす必要があり、これに適した同軸噴流型のバーナ1を用いている。   In this example, with the aim of active combustion control of the rising jet flame, an experiment was performed in which the flow field and the mixing field were changed by excitation by high-frequency vibration in the rising region. In order to clarify the influence of vibration excitation, it is necessary to reduce the influence of disturbance of the surrounding atmosphere as much as possible, and the coaxial jet burner 1 suitable for this is used.

また図2に、バーナ1上で形成される浮き上がり噴流火炎の一例の写真とバーナ上で用いる座標系を示す。内側ノズル1cと外側ノズル1eの出口流速を適切に設定することで、写真のような浮き上がり噴流火炎が形成される。なお、座標系はバーナ出口中心を原点とする直交座標系(x, y, z)を用いることとする。尚、x軸とy軸の方向は図に示すように定義し、z軸は右手系座標系に沿うように手前に伸びる方向と定義する。   FIG. 2 shows a photograph of an example of a rising jet flame formed on the burner 1 and a coordinate system used on the burner. By appropriately setting the outlet flow velocities of the inner nozzle 1c and the outer nozzle 1e, a floating jet flame as shown in the photograph is formed. The coordinate system is an orthogonal coordinate system (x, y, z) with the burner exit center as the origin. Note that the x-axis and y-axis directions are defined as shown in the figure, and the z-axis is defined as a direction extending forward along the right-handed coordinate system.

図3に、バーナ1上で形成される噴流火炎の基本特性を明らかにするため、様々な設定条件について調べた結果を示す。燃料流速及び空気流速を変化させた時に観測される火炎の状態は、(a)バーナ付着、(b)安定浮き上がり、(c)振動浮き上がり、そして(d)吹き飛びの4つに分類され、それぞれ図3中に示す(a)〜(d)の領域に対応している。   FIG. 3 shows the results of examining various setting conditions in order to clarify the basic characteristics of the jet flame formed on the burner 1. The flame conditions observed when the fuel flow rate and air flow rate are changed are classified into four types: (a) burner attachment, (b) stable lift, (c) vibration lift, and (d) blow-off. This corresponds to the areas (a) to (d) shown in FIG.

ここで、(a)バーナ付着とは、火炎端がバーナリムに付着した状態のことである。本実施例に用いたバーナ1における燃料流速設定範囲では、周囲流に空気を流さない場合において火炎は全て(a)バーナ付着の状態となった。燃料流速をある一定値に設定し、空気流速を増大させていくと、あるところから火炎端がバーナリムから離れ、安定に浮き上がった状態の火炎が形成される。その状態から空気流速を減少させていくと火炎はバーナ1に再付着するが、浮き上がりが生じた空気流速よりも低い値となり、浮き上がりとバーナ付着の間の状態変化はヒステリシスを持つ応答となった。(b)安定浮き上がり状態から、さらに空気流速を増大させていくと、周囲雰囲気の乱れや火炎への浮力の影響などから、火炎の定在高さが時間的に変動するような(c)振動浮き上がり状態へと遷移する。その状態には、層流火炎の周期的な振動及び乱流火炎への遷移による振動の2つの状態が含まれる。そして、空気流速を増大させると、最終的には火炎が(d)吹き飛びに至る。   Here, (a) burner adhesion means a state in which the flame end is adhered to the burner rim. In the fuel flow velocity setting range in the burner 1 used in this example, all the flames were in the state of (a) burner adhesion when air was not passed through the surrounding flow. When the fuel flow rate is set to a certain value and the air flow rate is increased, the flame end is separated from the burner rim from a certain point, and a flame that is stably lifted is formed. When the air flow rate is decreased from that state, the flame reattaches to the burner 1, but the value becomes lower than the air flow rate at which the lift occurred, and the state change between the lift and the burner attachment has a response with hysteresis. . (B) When the air flow rate is further increased from the stable floating state, the standing height of the flame fluctuates with time due to the disturbance of the surrounding atmosphere or the influence of buoyancy on the flame. (C) Vibration Transition to the floating state. The state includes two states, a periodic vibration of a laminar flame and a vibration due to a transition to a turbulent flame. When the air flow rate is increased, the flame eventually blows away (d).

以上のことを踏まえ、バーナ1上に浮き上がり噴流火炎を形成するためには、(b)及び(c)の領域に対応するメタンと空気の流速設定条件にすれば良い。   Based on the above, in order to float on the burner 1 and form a jet flame, the flow rate setting conditions of methane and air corresponding to the regions (b) and (c) may be used.

また図4に、(d)吹き飛びを除く各領域における代表的な火炎についての写真を示す。(a)バーナ付着の領域については図4(1)に示す。また、(b)及び(c)の領域内においても、図4(2),(3),(4)及び(5),(6)に示すように、その火炎長さや火炎形状は様々に変化させることが可能である。   FIG. 4 shows a photograph of typical flames in each region excluding (d) blowing away. (A) The burner adhesion region is shown in FIG. Also in the regions (b) and (c), as shown in FIGS. 4 (2), (3), (4) and (5), (6), the flame length and flame shape are various. It is possible to change.

本実施例では、主流噴流の可視化にアセトンPLIF法を用いた。アセトンPLIF法とは、流れ場のトレーサとしてアセトン蒸気を添加して、そこにレーザシート光を照射して励起した。アセトン分子が発する蛍光発光を計測する手法である。本実施例では、アセトン蒸気は燃料であるメタンに添加される。   In this example, the acetone PLIF method was used to visualize the mainstream jet. The acetone PLIF method was excited by adding acetone vapor as a flow field tracer and irradiating it with laser sheet light. This is a technique for measuring the fluorescence emission emitted from acetone molecules. In this embodiment, acetone vapor is added to methane as a fuel.

次に、高周波振動をバーナ1出口直上で軸方向に垂直に照射し、噴流場及び浮き上がり噴流拡散火炎の燃焼特性に与える影響について、以下に示す。   Next, the influence of high-frequency vibration on the combustion characteristics of the jet field and the lifted jet diffusion flame by irradiating the high-frequency vibration directly on the outlet of the burner 1 in the axial direction will be described below.

図5に、振動励起システム全体の概念図を示す。本システムは、バーナ1と、バーナ1上の浮き上がり噴流火炎を制御する火炎制御装置20と、から構成されている。火炎制御装置20について詳しく説明すると、振動子10には、伝達用ホーン11を連結しており、駆動電源12により振動子10の各電極間に正弦波電圧を印加することによって、伝達用ホーン11の端面に形成された振動面11aから振動を発生させるようになっている。本実施例では、振動システム全体において、振動面の速度変化が緩やかな正弦波によって駆動する。駆動電源12には、容量性負荷の駆動に柔軟に対応可能なバイポーラ電源を用いている。また、駆動波形の生成にはファンクションジェネレータ13を用い、波形の振幅やオフセットは図示しないオシロスコープでモニタリングを行い調整している。   FIG. 5 shows a conceptual diagram of the entire vibration excitation system. This system is composed of a burner 1 and a flame control device 20 that controls a rising jet flame on the burner 1. The flame control device 20 will be described in detail. The transmission horn 11 is connected to the vibrator 10, and a sine wave voltage is applied between the electrodes of the vibrator 10 by the drive power supply 12, thereby transmitting the horn 11. The vibration is generated from the vibration surface 11a formed on the end face of the head. In this embodiment, the entire vibration system is driven by a sine wave whose speed change of the vibration surface is gentle. The drive power supply 12 is a bipolar power supply that can flexibly support driving of a capacitive load. Further, the function generator 13 is used to generate the drive waveform, and the amplitude and offset of the waveform are monitored and adjusted with an oscilloscope (not shown).

高周波振動の発生方法としては、材料の圧電現象や磁歪現象を利用した振動子を用いる方法が主である。本実施例では、その中でも強力な高周波振動を発生するために広く用いられるボルト締めランジュバン型振動子を採用している。   As a method for generating high-frequency vibration, a method using a vibrator utilizing a piezoelectric phenomenon or magnetostriction phenomenon of a material is mainly used. In this embodiment, a bolt-clamped Langevin type vibrator widely used for generating strong high-frequency vibration is adopted.

振動面11aは、所定の直径(本実施例では15mm)の円形である。また、振動面11aに対向させて反射面14aを配置するように、反射体14を設置している。反射面14aの直径は、振動面11aと略同径の円形であり、アルミ製である。振動面11aと反射面14aとは、中心軸を一致させて配置されているとともに、反射体14は中心軸方向にスライド移動できるように配設されており、振動面11aと反射面14aとの間隔を任意に調整可能となっている。また、バーナ1の中心軸(y軸)と振動面11a及び反射面14aの中心軸とは直交するように設置され、振動面11a及び反射面14aの中心軸の高さ位置を、バーナ1出口直上の所定高さ(本実施例では振動面の中心がy=7.5mm)とした。これらの機構により、振動面11aと反射面14aの間隔の微調整ができ、且つそれらの間隔を維持したまま、バーナ座標系の半径方向に変化が可能な振動励起手段としての高周波振動励起システムが構築されている。   The vibration surface 11a has a circular shape with a predetermined diameter (15 mm in this embodiment). Moreover, the reflector 14 is installed so that the reflective surface 14a may be arrange | positioned facing the vibration surface 11a. The diameter of the reflection surface 14a is a circle having the same diameter as that of the vibration surface 11a and is made of aluminum. The vibration surface 11a and the reflection surface 14a are arranged so that the central axes thereof coincide with each other, and the reflector 14 is arranged so as to be slidable in the direction of the central axis, and the vibration surface 11a and the reflection surface 14a are arranged. The interval can be arbitrarily adjusted. Further, the central axis (y axis) of the burner 1 and the central axes of the vibration surface 11a and the reflection surface 14a are installed so as to be orthogonal to each other. A predetermined height directly above (in this embodiment, the center of the vibration surface is y = 7.5 mm). By these mechanisms, a high-frequency vibration excitation system as a vibration excitation means that can finely adjust the distance between the vibration surface 11a and the reflection surface 14a and can change in the radial direction of the burner coordinate system while maintaining the distance therebetween. Has been built.

高周波振動励起システムにおいては、振動面11aからの音響流が生じることにより、流れ場へ作用すると考えられる。図6に、高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真を示す。高周波振動を励起させない場合、火炎はバーナ1中心軸上に垂直に火炎が形成される。しかし、高周波振動を発生させると振動面11a側から押し退けられるように火炎が傾く現象が生じる。また、振動面11a側の火炎面は陥没したような形状となった。また、この傾向は時間的にあまり変化しなかったため、振動面11aから定常的な流れ場が、つまり振動面11aからの音響流の発生が考えられる。   In the high-frequency vibration excitation system, it is considered that an acoustic flow from the vibration surface 11a is generated to act on the flow field. In FIG. 6, the photograph of the burner adhesion flame at the time of high frequency vibration excitation is shown. When high-frequency vibration is not excited, the flame is formed vertically on the central axis of the burner 1. However, when high-frequency vibration is generated, a phenomenon occurs in which the flame tilts so as to be pushed away from the vibration surface 11a side. In addition, the flame surface on the vibration surface 11a side was in a depressed shape. Moreover, since this tendency did not change so much in time, it can be considered that a steady flow field from the vibration surface 11a, that is, an acoustic flow from the vibration surface 11a is generated.

次に、図7に示されるように、本実施例で用いる振動波について説明すると、一対の振動面11aと反射面14aとの間に定在波を形成することを想定する。振動面11aは自由端であって、反射面14aは固定端となるため、定在波を形成するためには図7に示す4分の1波長の奇数倍(2n−1)・λ/4の間隔が必要である。ただし、nは任意の正の整数である。また、図7に示した定在波の振幅は、音波の縦波における速度の振幅を示しており、圧力の場合は速度と逆位相となる。   Next, as shown in FIG. 7, the vibration wave used in the present embodiment will be described. It is assumed that a standing wave is formed between the pair of vibration surfaces 11a and the reflection surface 14a. Since the vibration surface 11a is a free end and the reflection surface 14a is a fixed end, in order to form a standing wave, an odd multiple (2n−1) · λ / 4 of a quarter wavelength shown in FIG. The interval is necessary. However, n is an arbitrary positive integer. Further, the amplitude of the standing wave shown in FIG. 7 indicates the velocity amplitude in the longitudinal wave of the sound wave. In the case of pressure, the amplitude is opposite to the velocity.

本実施例では、バーナと噴流の位置関係を変化させて、流れ場に対する影響を調べるために、少なくとも振動面と反射面を含まない位置で半波長分の定在波を確保することとした。そのためには、少なくとも5λ/4以上の定在波が必要である。ここで、音波の波長λ[m]は、音速a[m/s]と周波数f[Hz]を用いて、数式1で表される。   In this embodiment, in order to change the positional relationship between the burner and the jet and examine the influence on the flow field, a standing wave corresponding to a half wavelength is secured at least at a position not including the vibration surface and the reflection surface. For that purpose, a standing wave of at least 5λ / 4 or more is required. Here, the wavelength λ [m] of the sound wave is expressed by Equation 1 using the sound speed a [m / s] and the frequency f [Hz].

また、音速a[m/s]は、音波の伝わる媒質に依存し、比熱比γ[J/mol・K]、圧力p[Pa]、密度ρ[kg/m3]を用いて、数式2で表される。さらに、理想気体の状態方程式より、気体定数R[J/(kg・K)]と絶対温度T[K]を用いると、
The speed of sound a [m / s] depends on the medium through which the sound wave is transmitted, and is expressed by Equation 2 using the specific heat ratio γ [J / mol · K], the pressure p [Pa], and the density ρ [kg / m 3 ]. It is represented by Furthermore, using the gas constant R [J / (kg · K)] and the absolute temperature T [K] from the equation of state of the ideal gas,

本実施例では、実験室の気温は20℃程度に保たれているので、媒質を20℃の空気とすると、その際の音速は、a=343.1m/sとなる。ここで、本実施例で用いたバーナ直径dは、20mmであるので、振動面や反射面が噴流と干渉させないためには、それ以上の間隔にする必要がある。また、形成された定在波と噴流の位置関係を変化させるためには、定在波の腹と節の1サイクルである半波長分は移動させる必要がある。そこで、以下の数式3が得られる。   In this embodiment, since the laboratory temperature is kept at about 20 ° C., if the medium is air at 20 ° C., the sound velocity at that time is a = 343.1 m / s. Here, since the burner diameter d used in the present embodiment is 20 mm, it is necessary to make the interval larger than that in order for the vibration surface and the reflection surface not to interfere with the jet. In addition, in order to change the positional relationship between the formed standing wave and the jet, it is necessary to move the half wavelength, which is one cycle of the standing wave antinode and node. Therefore, the following Equation 3 is obtained.

よって、定在波が5λ/4(n=3)と7λ/4(n=4)の場合を考えると、それぞれ周波数の制約条件は、数式1,2を用いて次の数式4,5のようになる。   Therefore, considering the case where the standing wave is 5λ / 4 (n = 3) and 7λ / 4 (n = 4), the frequency constraint conditions are expressed by the following equations 4 and 5 using equations 1 and 2, respectively. It becomes like this.

このように、それぞれの波長の定在波を形成するためには、振動周波数の上限が決定できる。さらにnが大きい場合にはより高い周波数が必要となり、空気中での減衰も激しくなると考えられ、それ以上の周波数については選定の対象外とする。   Thus, in order to form the standing wave of each wavelength, the upper limit of the vibration frequency can be determined. Further, when n is large, a higher frequency is required, and it is considered that the attenuation in the air becomes severe, and a frequency higher than that is excluded from selection.

次に、振動励起を行うにあたり、バーナ1と振動励起システムとの最適な位置関係、つまり形成される定在波のどの位置に噴流が存在するのが最適であるかについて、以下に述べる。先ず、振動励起システムをバーナ1出口直上においてx軸方向に移動させて、浮き上がり火炎の定在位置がどのように変化するかについて示す。火炎の定在位置を評価するパラメータとして、浮き上がり高さ(H)及びバーナ1中心軸と火炎中心軸のずれ(Δxc)を測定した。   Next, in performing vibration excitation, the optimum positional relationship between the burner 1 and the vibration excitation system, that is, in which position of the standing wave to be formed is optimum is described below. First, the vibration excitation system is moved in the x-axis direction immediately above the outlet of the burner 1 to show how the standing position of the rising flame changes. As parameters for evaluating the standing position of the flame, the lifting height (H) and the deviation (Δxc) between the burner 1 central axis and the flame central axis were measured.

図8に、浮き上がり噴流拡散火炎のおける浮き上がり高さの定義について示す。バーナ1出口を鉛直上方に向けて開口するようにバーナ1を配置し、バーナ1出口面の中心点を原点Oとし、略平行に対向して配置した振動面11a及び反射面14aに直交する方向をx軸とし、バーナ中心軸をy軸とする。浮き上がり高さ(H)は、バーナ1出口から火炎下端までのy軸方向距離とし、振動励起により火炎が非対称な構造を有した場合は、火炎の中心軸と正面からみたときの火炎両側の最上流端を結んだ直線の交点の位置を浮き上がり高さとした。また、図8に、バーナ1中心軸と火炎中心軸のずれの定義について示す。火炎の中心軸を火炎の写真により決定し、計測を行った。なお、x軸は振動面11a側を正とし、y軸は鉛直上方を正とした。   FIG. 8 shows the definition of the lifting height in the rising jet diffusion flame. The burner 1 is disposed so that the outlet of the burner 1 is opened vertically upward, the center point of the outlet surface of the burner 1 is the origin O, and the direction orthogonal to the vibration surface 11a and the reflection surface 14a disposed substantially parallel to each other Is the x-axis, and the burner central axis is the y-axis. The lift height (H) is the distance in the y-axis direction from the burner 1 outlet to the bottom of the flame. If the flame has an asymmetrical structure due to vibration excitation, the maximum height on both sides of the flame when viewed from the center axis of the flame and the front. The position of the intersection of the straight lines connecting the upstream ends is defined as the height. FIG. 8 shows the definition of the deviation between the burner 1 central axis and the flame central axis. The center axis of the flame was determined from the photograph of the flame and measured. The x-axis is positive on the vibration surface 11a side, and the y-axis is positive vertically upward.

後述する各計測における流速設定条件は図9に示す。これらは、振動励起によって火炎が層流火炎のまま変化しなかった場合(ケースA)と、火炎が乱流火炎に遷移した場合(ケースB)の2条件である。どちらも設定流速は燃料及び空気ともに層流の範囲内である。本実施例では、振動面11aと反射面14aの間隔は30mmとし、振動子10の駆動周波数は20.27kHzとした。振動子10印加電圧の振幅は105Vとした。振動励起システムの位置は振動面11a及び反射面14aがバーナ1出口面に干渉しない範囲で変化させた。   FIG. 9 shows flow rate setting conditions in each measurement described later. These are two conditions: a case where the flame remains laminar flame due to vibration excitation (case A) and a case where the flame transitions to a turbulent flame (case B). In both cases, the set flow velocity is within the laminar flow range for both fuel and air. In this embodiment, the distance between the vibration surface 11a and the reflection surface 14a is 30 mm, and the drive frequency of the vibrator 10 is 20.27 kHz. The amplitude of the vibrator 10 applied voltage was 105V. The position of the vibration excitation system was changed in a range where the vibration surface 11a and the reflection surface 14a did not interfere with the burner 1 exit surface.

図10(a)に、ケースAにおける火炎定在位置の変化について調べた結果を示す。H及びΔxcは、バーナ中心ノズル直径d(本実施例では2mm)で無次元化してある。図10(a)の横軸は、振動面11aからバーナ1中心軸までの距離Lとした。図10(a)の縦方向の点線は、定在波における圧力の節の位置である。また、横方向の実線は、振動励起を行わない場合の火炎の浮き上がり高さである。   FIG. 10A shows the result of examining the change in the flame standing position in case A. FIG. H and Δxc are made dimensionless by the burner center nozzle diameter d (2 mm in this embodiment). The horizontal axis of FIG. 10A is the distance L from the vibration surface 11a to the burner 1 central axis. The dotted line in the vertical direction of FIG. 10A is the position of the pressure node in the standing wave. Further, the solid line in the horizontal direction is the height of the flame rising when vibration excitation is not performed.

この結果より、節の位置、及び節と節の間に位置すると考えられる腹の位置を境に、火炎の定在位置が大きく変化することがわかる。H/dは、λの節の位置と3λ/4の腹の位置付近で、それぞれ鋭い極大値をとる。この高さは、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さとほぼ一致する。その一方で、節と腹の間の領域においては、浮き上がり高さが低下することがわかった。そして、節と腹の中心付近で極小値を持つ。Δxc/dは、λの節の位置と3λ/4の腹の位置付近で0となる。振動を励起させない場合は、バーナ中心軸上に軸対称な浮き上がり火炎が形成されるので、λの節の位置と3λ/4の腹の位置付近では振動励起による変化が認められない。   From this result, it can be seen that the standing position of the flame greatly changes with the position of the node and the position of the belly considered to be positioned between the nodes. H / d takes a sharp maximum near the position of the node of λ and the position of the antinode of 3λ / 4. This height substantially coincides with the floating height when vibration excitation is not performed. On the other hand, in the region between the node and the belly, it was found that the floating height was lowered. And it has a local minimum near the center of the node and belly. Δxc / d becomes 0 near the position of the node of λ and the position of the antinode of 3λ / 4. When vibration is not excited, an axially symmetric floating flame is formed on the burner central axis, so that no change due to vibration excitation is observed near the position of the node of λ and the position of the antinode of 3λ / 4.

一方で、節と腹の間の領域においては、火炎がバーナ中心軸からx軸方向にずれるような結果が得られた。その中心付近で極小値・極大値を示す傾向は、H/dの場合と同様である。火炎面の水平位置は3λ/4からλの範囲では振動面側に引き寄せられる方向へ、λから5λ/4の範囲では、振動面から火炎が遠ざけられる方向へとそれぞれ変化することがわかった。つまり、腹へ近づく方向へ火炎が移動したということになる。   On the other hand, in the region between the node and the belly, a result was obtained in which the flame shifted from the burner central axis in the x-axis direction. The tendency of showing the minimum value and the maximum value near the center is the same as in the case of H / d. It was found that the horizontal position of the flame surface changes in the direction toward the vibration surface side in the range of 3λ / 4 to λ, and changes in the direction in which the flame is moved away from the vibration surface in the range of λ to 5λ / 4. That is, the flame has moved in a direction approaching the stomach.

図10(b)に示した写真の火炎画像から、H/dが極小値をとる位置(a)、(c)においては、火炎が非対称に傾くような傾向がみられ、節の位置(b)を境に傾く方向が変化することがわかる。以上の火炎におけるH/d及びΔxc/dの評価による検討結果からは、振動励起による効果が大きいと考えられる振動励起システムとバーナの位置関係は、ちょうどバーナ中心軸が定在波における節と腹の中心となる位置する場合であると考えられる。   From the flame image of the photograph shown in FIG. 10B, at positions (a) and (c) where H / d takes the minimum value, the flame tends to be inclined asymmetrically, and the position of the node (b It can be seen that the direction of tilting at the boundary changes. Based on the results of the evaluation of H / d and Δxc / d in the above flame, the positional relationship between the vibration excitation system and the burner, which is considered to have a large effect due to vibration excitation, shows that the center axis of the burner is just This is considered to be the case where the center is located.

次に、図11(a)に、ケースBにおける火炎定在位置の変化について調べた結果を示す。また、図11(b)に、火炎の写真についても併せて示す。この結果より、Δxc/dについては、ケースAと同様の傾向であることが分る。H/dについては、振動励起による乱流火炎への遷移がみられたため、図11(b)に振動励起を行わない状態における火炎の写真を示した。火炎端の形状や浮き上がり高さの時間的変化はなく、層流火炎に分類できる。   Next, FIG. 11A shows the result of examining the change in the flame standing position in case B. FIG. FIG. 11B also shows a photograph of the flame. From this result, it can be seen that Δxc / d has the same tendency as in Case A. As for H / d, since a transition to a turbulent flame by vibration excitation was observed, a photograph of a flame in a state where vibration excitation is not performed is shown in FIG. There is no temporal change in the shape of the flame edge or the height of the rise, and it can be classified as a laminar flame.

一方で、振動励起を与えた場合は、図11(a)の(a),(c)に示すように乱流火炎に遷移する場合が多かった。ただし、(b)については層流火炎となった。つまり、浮き上がり高さの違いはあるものの、振動励起を与えない場合の火炎形状に近い。また、(b)はバーナ中心軸がλの節の付近に位置する条件であり、バーナ中心軸が節付近に位置する場合は振動励起による火炎への影響が小さくなるという点はケースAと同様である。層流火炎と乱流火炎では浮き上がり高さの決定因子が大きく異なると考えられ、両者を単純に比較することはできないと考えられる。そこで、層流火炎となった(b)を除いて、乱流火炎へ遷移した条件のみを比較した。これらの条件について比較すると、バーナ中心軸が振動面に最も近い(a)の条件でH/dが最小となる。ここで、バーナ中心軸上における音波のエネルギ密度は、振動面から離れるほど音波が拡がるため、(a)の条件が最も高いと考えられる。その結果として、噴流の乱流化促進効果が最も高くなると考えられ、乱流化促進効果には音波のエネルギ密度が大きく関与することが考えられる。   On the other hand, when vibration excitation is applied, as shown in (a) and (c) of FIG. However, it became a laminar flame about (b). That is, although there is a difference in the floating height, it is close to the flame shape when vibration excitation is not applied. (B) is a condition that the burner central axis is located near the node of λ, and when the burner central axis is located near the node, the influence on the flame due to vibration excitation is reduced as in the case A. It is. The laminar flame and turbulent flame are considered to have very different determinants of lift height, and it is considered impossible to simply compare the two. Therefore, except for (b), which was a laminar flame, only the conditions for transition to a turbulent flame were compared. Comparing these conditions, H / d is minimized under the condition (a) where the burner central axis is closest to the vibration surface. Here, the energy density of the sound wave on the central axis of the burner is considered to be the highest in the condition (a) because the sound wave spreads away from the vibration surface. As a result, it is considered that the effect of promoting the turbulence of the jet becomes the highest, and it is considered that the energy density of the sound wave is greatly involved in the effect of promoting the turbulence.

以上のことから、ケースA及びケースBにおいて振動励起による火炎定在位置の変化について調べた結果として、3つの影響があることが分かった。第一には、振動励起により火炎がバーナ中心軸からずれを生じるという点であり、これは流速設定条件によらず同じ傾向を示し、いずれも定在波における圧力の腹(振幅の節)の方向へ移動するという結果となった。しかしながら、節及び腹付近に噴流中心が位置する条件では、振動を励起させない場合とほぼ変わらない位置に火炎が形成された。第二に、ケースAにおいては、噴流中心がちょうど節と腹の中心付近で極小値をとり、振動励起による浮き上がり高さの変化が大きいことがわかった。第三に、ケースBにおいては、振動励起によって層流火炎が乱流火炎へ遷移する現象がみられ、それらの条件では浮き上がり高さの変化は振動面に近いほど大きいという傾向がみられた。しかし、λの節もしくは振動面と反射面の中心付近に噴流中心が位置する条件では、乱流火炎への遷移がみられないという結果が得られた。   From the above, as a result of examining the change in the flame standing position by vibration excitation in Case A and Case B, it was found that there are three effects. The first is that the flame is displaced from the central axis of the burner by vibration excitation, and this shows the same tendency regardless of the flow velocity setting conditions, both of which are the pressure antinodes (nodes of amplitude) in the standing wave. The result was moving in the direction. However, under the condition that the jet center is located near the node and the abdomen, a flame was formed at a position almost unchanged from the case where vibration was not excited. Secondly, in case A, the jet center takes a local minimum just near the center of the node and the belly, and it has been found that the change in the floating height due to vibration excitation is large. Third, in Case B, a phenomenon was observed in which laminar flame transitioned to turbulent flame due to vibration excitation, and under these conditions, the change in lift height tended to be greater the closer to the vibration surface. However, under the condition that the jet center is located in the vicinity of the center of the node of λ or the vibration surface and the reflection surface, the transition to the turbulent flame was not observed.

以上の結果を踏まえて、振動励起による効果が最も大きいと考えられる振動励起システムとバーナ1の位置関係について検討を行う。2つの条件におけるΔxcとケースAのHを評価した結果においては、噴流中心が定在波における腹と節の間の領域に位置する場合において振動励起による影響が大きい。よって、3λ/4の腹とλの節の間、もしくはλの節と5λ/4の腹の間のどちらかに噴流中心が位置する場合がより効果的である。また、ケースBのHを評価した結果に基づけば、乱流化の促進効果がより高いのは、振動面11aに近くに噴流中心が位置する場合である。よって、噴流中心をより振動面11aに近づけることが効果的である。その他、振動システムを移動可能な範囲には、バーナ1出口との干渉により制約がある。また、振動面11aや反射面14aが流れ場を妨げないようにするためには、両者を可能な限りバーナ1から離れた位置に設置するのが好ましい。以上のことを総合して鑑みると、前述した2つの範囲の中でも、より振動面11aに近いほうを選択すべきである。よって、3λ/4の腹とλの節の中心付近であるL=14mmが振動励起効果を最も大きくする位置であると考えられる。   Based on the above results, the positional relationship between the vibration excitation system and the burner 1 considered to have the greatest effect of vibration excitation is examined. In the result of evaluating Δxc and Case A in two conditions, the influence of vibration excitation is large when the jet center is located in the region between the antinode and the node in the standing wave. Therefore, it is more effective when the jet center is located either between the 3λ / 4 antinode and the λ node or between the λ node and the 5λ / 4 antinode. Moreover, based on the result of evaluating H of Case B, the effect of promoting turbulence is higher when the jet center is located near the vibration surface 11a. Therefore, it is effective to bring the jet center closer to the vibration surface 11a. In addition, the range in which the vibration system can be moved is limited by interference with the burner 1 outlet. Further, in order to prevent the vibration surface 11a and the reflection surface 14a from obstructing the flow field, it is preferable to install both at a position as far from the burner 1 as possible. Considering the above in total, the one closer to the vibration surface 11a should be selected from the two ranges described above. Therefore, L = 14 mm near the center of the 3λ / 4 antinode and λ node is considered to be the position where the vibration excitation effect is maximized.

次に、上述したよりも幅広い流速設定条件で、振動励起による浮き上がり高さの変化について調べた結果について述べる。浮き上がり高さの変化は、吹き飛びやすさなどの火炎の安定性を調べる上でも重要である。実験手順として、まず燃料及び空気の流速を設定した。燃料出口流速Vf(中心流)を一定とし、空気出口流速Va(周囲流)を増加させ、火炎を浮き上がらせた。このように振動励起を行わない状態で火炎を定在させ、その時の浮き上がり高さの計測を行った。その後、振動励起を開始させ、振動励起時の浮き上がり高さの計測を行った。この時、火炎が定常状態になるまで一定時間(本実施例では2〜3秒間)の経過を待った。設定条件によっては、バーナへの再付着及び火炎の吹き消えが生じた場合もあった。その際には浮き上がり高さはそれぞれ0及びデータなしとした。最終的には、火炎の吹き飛びが生じる流速まで増加させ、吹き飛び限界における浮き上がり高さまでを実験範囲とした。振動励起時の吹き飛び限界は、振動励起を与え続けた状態で火炎が吹き飛ぶまで空気出口流速を増大させて計測を行った。   Next, the results of examining the change in the lift height due to vibration excitation under a wider flow rate setting condition than described above will be described. The change in the floating height is also important in examining the stability of the flame, such as ease of blowing. As an experimental procedure, first, the flow rates of fuel and air were set. The fuel outlet flow velocity Vf (center flow) was kept constant, the air outlet flow velocity Va (ambient flow) was increased, and the flame was lifted. In this way, the flame was allowed to stand without vibration excitation, and the floating height at that time was measured. Thereafter, vibration excitation was started, and the lifting height at the time of vibration excitation was measured. At this time, the passage of a certain time (2 to 3 seconds in this embodiment) was waited until the flame became a steady state. Depending on the setting conditions, re-attachment to the burner and blowing out of the flame may occur. At that time, the floating height was set to 0 and no data, respectively. Eventually, the flow rate was increased to the level at which the flame was blown, and the range up to the floating height at the blow-off limit was set as the experimental range. The blow-off limit at the time of vibration excitation was measured by increasing the air outlet flow velocity until the flame blows off in a state where vibration excitation was continuously applied.

図12に示されるように、Vf=0.7, 1.4, 2.1, 2.8, 4.2, 5.6, 7.0m/sの各条件について計測を行った。この時、振動面と反射面の間隔は30mmと設定し、駆動周波数と印加電圧は、それぞれ20.27kHz,105Vとしている。また、振動システムとバーナ1との相対的な位置関係は、上記において検討した結果、最適位置と判断した、噴流中心が7λ/4の定在波におけるλの節と3λ/4の腹の中心付近となるように設定を行っている。   As shown in FIG. 12, measurement was performed for each condition of Vf = 0.7, 1.4, 2.1, 2.8, 4.2, 5.6, 7.0 m / s. At this time, the distance between the vibration surface and the reflection surface is set to 30 mm, and the drive frequency and the applied voltage are set to 20.27 kHz and 105 V, respectively. In addition, the relative positional relationship between the vibration system and the burner 1 is determined to be the optimum position as a result of the above examination, and the center of the λ node and the center of the 3λ / 4 antinode in the standing wave with a 7λ / 4 jet center are determined. The setting is made to be close.

計測を行った全7条件は、火炎状態の変化に着目すると、大きく3つに分類される。第一のグループは、Vf=0.7, 1.4, 2.1m/sの3条件における、振動励起の有無によらず火炎が層流火炎となる場合である。第二のグループは、Vf=2.8, 4.2m/sの2条件でみられた、振動励起により層流火炎が乱流火炎へと遷移する場合である。そして、第三のグループは、Vf=5.6, 7.0m/sの2条件で振動励起の有無によらず火炎が乱流火炎となる場合である。   All seven conditions measured are roughly classified into three, focusing on changes in the flame state. The first group is a case where the flame becomes a laminar flame regardless of the presence or absence of vibration excitation under three conditions of Vf = 0.7, 1.4, and 2.1 m / s. The second group is a case where a laminar flame is changed to a turbulent flame by vibration excitation, which was observed under two conditions of Vf = 2.8 and 4.2 m / s. The third group is a case where the flame becomes a turbulent flame regardless of the presence or absence of vibration excitation under two conditions of Vf = 5.6, 7.0 m / s.

以下に、計測条件を分類した図12におけるグループa ~ cの場合について、それぞれ振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について結果と考察を示す。   In the following, for the cases of groups a to c in FIG. 12 in which the measurement conditions are classified, results and consideration are shown for changes in the lift height and blow-off limit due to vibration excitation, respectively.

先ず、図12で分類したグループaの条件の結果について述べる。これは、振動励起の有無に係わらず層流火炎が形成された条件であり、ケース1〜3の3条件を含んでいる。図13〜図15に、それぞれケース1,ケース2,ケース3において、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。浮き上がり高さHは内側ノズル出口直径dで無次元化しており、吹き飛び限界(B.O.)は矢印とともに図中に示した。また、各条件において、2対ずつ火炎の写真を示した。図中の上部にある写真が振動励起を与えない通常の状態における火炎であり、下部に示した写真が振動励起後の火炎となっている。   First, the result of the condition of group a classified in FIG. 12 will be described. This is a condition in which a laminar flame is formed regardless of the presence or absence of vibration excitation, and includes three conditions of cases 1 to 3. FIGS. 13 to 15 show the results of examining the changes in the lift height and the blow-off limit due to vibration excitation in Case 1, Case 2, and Case 3, respectively. The floating height H is made dimensionless by the inner nozzle outlet diameter d, and the blow-off limit (B.O.) is shown in the drawing together with an arrow. In each condition, two pairs of flame photos were shown. The photograph at the top of the figure is a flame in a normal state where vibration excitation is not applied, and the photograph shown at the bottom is a flame after vibration excitation.

3つの条件に共通していることは、振動励起によって概ね浮き上がり高さが低下している点である。この時、火炎写真から振動励起を行うと火炎端が非対称に傾いた構造となることがわかる。各図中に示した矢印(a)よりも設定空気流速が低い条件に注目すると、振動励起により火炎がバーナ1へ再付着を生じていることがわかる。再付着を生じるか否かは、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さが振動面11a(直径15mm)の上端の高さであるH/d=7.5付近を境に変化している。   What is common to the three conditions is that the floating height is generally reduced by vibration excitation. At this time, it is understood from the flame photograph that when the vibration excitation is performed, the flame end is inclined asymmetrically. When attention is paid to the condition where the set air flow velocity is lower than the arrow (a) shown in each figure, it can be seen that the flame is reattached to the burner 1 by vibration excitation. Whether or not re-adhesion occurs varies depending on the H / d = 7.5 vicinity, which is the height of the upper end of the vibration surface 11a (diameter 15 mm) when the vibration excitation is not performed.

つまり、火炎基部が振動励起範囲内部にある場合は火炎が再付着してしまうことがわかる。矢印(a)よりも設定空気流速が高く、振動励起を行わない場合の浮き上がり高さがH/d>7.5となる場合では、振動励起によって浮き上がり高さが若干上昇する。その後、振動励起の有無による浮き上がり高さの大小関係は逆転し、Vaの増加とともに振動励起による浮き上がり高さの低下が著しくなっていく。そして、最終的に吹き飛び限界も大きく改善しており、振動励起によって吹き飛びが生じづらい火炎状態となっていることがわかる。よって、ケース1~3における浮き上がり火炎は、振動励起によって安定化がされるという結果が得られた。ただし、条件によっては火炎の再付着を生じる場合もあることは留意すべき点である。   That is, it can be seen that the flame reattaches when the flame base is within the vibration excitation range. When the set air flow velocity is higher than that of the arrow (a) and the lift height when vibration excitation is not performed is H / d> 7.5, the lift height is slightly increased by vibration excitation. Thereafter, the relationship between the heights of the lifts due to the presence / absence of vibration excitation is reversed, and the decrease in the lift heights due to vibration excitations becomes significant as Va increases. Finally, the blow-off limit has also been greatly improved, and it can be seen that a flame state in which blow-off is difficult to occur due to vibration excitation is found. Therefore, it was found that the rising flames in cases 1 to 3 were stabilized by vibration excitation. However, it should be noted that flame reattachment may occur depending on conditions.

次に、図12で分類したグループbの条件の結果について述べる。これは、振動励起によって層流火炎から乱流火炎への遷移がみられた条件であり、ケース4,ケース5の2条件を含んでいる。図16,17に、それぞれケース4,ケース5において、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。また、浮き上がり高さの変動がみられた条件については、その最大値と最小値をエラーバーとして示した。   Next, the result of the condition of group b classified in FIG. 12 will be described. This is a condition in which a transition from laminar flame to turbulent flame is observed due to vibration excitation, and includes two conditions, Case 4 and Case 5. FIGS. 16 and 17 show the results of examining changes in the lift height and blow-off limit due to vibration excitation in Case 4 and Case 5, respectively. The maximum and minimum values of the conditions where the floating height was changed were shown as error bars.

グループbにおける振動励起を行わない場合の浮き上がり高さの増加の様子は、その増加率は異なるもののグループaの結果と概ね一致している。これは、いずれも層流火炎における結果であるので、浮き上がり高さの決定因子には大きな違いがないからであると考えられる。また、振動励起によって浮き上がり高さが低下するという点についても、グループaの場合と同じである。しかし、グループbで振動励起を行った場合の浮き上がり高さの増加の様子は層流火炎と異なる。空気出口流速が上昇すると、図中に矢印(b)でそれぞれ示した流速を境に乱流火炎への遷移することが確認された。   The state of increase in the floating height when vibration excitation is not performed in group b is generally consistent with the result of group a, although the rate of increase is different. This is considered to be because there is no big difference in the determinant of the lift height because both are results in laminar flame. Further, the point that the floating height is lowered by vibration excitation is the same as in the case of group a. However, when the vibration excitation is performed in group b, the state of increase in the floating height is different from that of the laminar flame. When the air outlet flow velocity increased, it was confirmed that transition to a turbulent flame occurred at the flow velocity indicated by arrows (b) in the figure.

図16及び図17の右側に示した振動励起した火炎の写真から火炎端で火炎面が乱れていることがわかる。また実験中に、火炎の形状や長さが非定常に変動することや、燃焼音が発生することも確認された。これは、振動励起によって流れ場の不安定性を助長され、流れ場の乱れに応じて火炎が乱流化した結果であると推測される。火炎の乱流遷移に伴って、浮き上がり高さが不連続に増加する現象がみられた。この浮き上がり高さの急激な増加は、特にケース5の結果において顕著となっている。   It can be seen from the photograph of the vibrationally excited flame shown on the right side of FIGS. 16 and 17 that the flame surface is disturbed at the flame end. During the experiment, it was also confirmed that the shape and length of the flame fluctuated unsteadyly and that combustion noise was generated. This is presumed to be the result of the instability of the flow field being promoted by vibration excitation and the flame becoming turbulent in response to the disturbance of the flow field. As the turbulent transition of the flame, a phenomenon was observed in which the floating height increased discontinuously. This rapid increase in the floating height is particularly noticeable in the case 5 result.

そして、矢印(b)の遷移点を境にして、浮き上がり高さの上昇の様子も変化していることがわかる。空気出口流速に対する浮き上がり高さの増加率は、振動励起を行わない場合の層流火炎における増加率よりも小さくなっている。また、吹き飛び限界における空気出口流速は、振動励起を行った場合でも、行わない場合と同等もしくは若干の低下がみられる。この傾向は、吹き飛び限界の拡大がみられたグループaの場合とは異なるものである。ただし、層流火炎と乱流火炎では、浮き上がり高さの決定する因子や吹き飛びに至る要因は異なることが考えられ、それらを一概に比較できるものではない。また、図中に点線で示した吹き飛び限界直前の各条件においては、振動励起により火炎が吹き消えを生じる現象も確認された。グループbにおいては、浮き上がり高さが非常に高くなるために、そのような火炎は上流における流れ場の変動に対して非常に敏感になってしまうことが原因であると考えられる。特に、今回はステップ的に電圧の印加を開始したので、流れ場の急激な変動が生じたと推測できる。   Then, it can be seen that the state of the rising height also changes at the transition point of the arrow (b). The increase rate of the lift height with respect to the air outlet flow velocity is smaller than the increase rate in the laminar flame when vibration excitation is not performed. In addition, the air outlet flow velocity at the blow-off limit is the same as or slightly reduced when vibration excitation is performed. This tendency is different from the case of group a in which the blow-off limit is increased. However, it is conceivable that the factors that determine the lift height and the factors that lead to blow-off differ between laminar and turbulent flames, and they cannot be compared in general. In addition, in each condition immediately before the blow-off limit indicated by a dotted line in the figure, it was also confirmed that a flame was blown out by vibration excitation. In group b, the rising height is so high that such a flame is considered to be very sensitive to upstream flow field fluctuations. In particular, since voltage application was started stepwise this time, it can be estimated that a rapid fluctuation of the flow field occurred.

次に、図12で分類したグループcの条件の結果について述べる。これは、振動励起の有無によらず乱流火炎の状態が確認された条件であり、ケース6,ケース7の2条件を含んでいる。図18,19に、それぞれケース6,ケース7について、振動励起による浮き上がり高さ及び吹き飛び限界の変化について調べた結果を示す。また、浮き上がり高さの変動がみられた条件については、その最大値と最小値をエラーバーとして示した。   Next, the results of group c conditions classified in FIG. 12 will be described. This is a condition in which the state of the turbulent flame is confirmed regardless of the presence or absence of vibration excitation, and includes two conditions of Case 6 and Case 7. 18 and 19 show the results of examining changes in the lift height and the blow-off limit due to vibration excitation in Case 6 and Case 7, respectively. The maximum and minimum values of the conditions where the floating height was changed were shown as error bars.

振動励起の有無にかかわらず、上述したような乱流火炎への遷移が生じた。図中の矢印(b)より空気出口流速が大きな範囲では、乱流浮き上がり火炎が観測された。ケース6については、振動励起時の乱流火炎への遷移が、振動励起を行わない場合に比べて低い空気出口流速の条件で生じている。一方で、ケース7では遷移点は同じ空気流速を境に生じている。矢印(b)で示した遷移点よりも空気出口流速が大きな範囲では、振動励起の有無にかかわらず乱流火炎として存在するため、空気出口流速の増加に対する浮き上がり高さが増加傾向には大きな変化がない。振動励起によって生じる浮き上がり高さの変化は、ケース6では振動励起により浮き上がり高さの低下がみられるのに対して、ケース7ではほぼ変化していない。   The transition to the turbulent flame described above occurred regardless of the presence or absence of vibration excitation. In the range where the air outlet flow velocity is larger than the arrow (b) in the figure, a turbulent floating flame was observed. In Case 6, the transition to the turbulent flame at the time of vibration excitation occurs under the condition of a low air outlet flow velocity as compared with the case where vibration excitation is not performed. On the other hand, in case 7, the transition point occurs at the same air flow velocity. In the range where the air outlet flow velocity is larger than the transition point indicated by the arrow (b), it exists as a turbulent flame regardless of the presence or absence of vibration excitation. There is no. The change in the lift height caused by the vibration excitation is almost unchanged in the case 7 while the lift height is lowered by the vibration excitation in the case 6.

さらに、グループa及びグループbの条件と比較しても、振動励起により浮き上がり高さが低下する効果は小さい。しかしながら、それぞれ図中の右側に示した火炎写真をみると、火炎基部の幅が拡大していることがわかる。これにより、浮き上がり高さにおける変化は小さくとも、火炎端の位置において可燃範囲内の混合割合まで至っている混合気が分布する幅が増大したと考えられる。このことから、振動励起により混合の促進がなされたことが考えられる。一方で、吹き飛び限界については、吹き飛びが生じる浮き上がり高さ、及び吹き飛び時の空気出口流速に大きな差はないことがわかる。   Furthermore, even when compared with the conditions of group a and group b, the effect of raising the height due to vibration excitation is small. However, each flame photograph shown on the right side of the figure shows that the width of the flame base is enlarged. Thereby, even if the change in the floating height is small, it is considered that the range in which the air-fuel mixture reaching the mixing ratio in the combustible range at the position of the flame end is increased. From this, it is considered that mixing was promoted by vibration excitation. On the other hand, with regard to the blow-off limit, it can be seen that there is no significant difference in the floating height at which blow-off occurs and the air outlet flow velocity at the time of blow-off.

以上のことを踏まえて、振動励起による浮き上がり火炎に対する影響を様々な流速設定条件について調べた結果として3つの点がわかった。第一に、層流火炎においては振動励起によって火炎の浮き上がり高さの低下、及び吹き飛び限界の拡大などが確認され、浮き上がり火炎の安定性が向上する。第二に、振動励起により火炎は乱流化を促進される。これは、火炎の乱流化、及び乱流火炎における火炎端幅の増大が生じたことによるもので、振動励起によって噴流の乱流化を促進することが可能であることが考えられる。第三として、火炎の状態によっては、振動励起によりバーナへの再付着あるいは吹き消えなどの現象が生じるなど安定な燃焼を妨げる効果もある。   Based on the above, we found three points as a result of investigating the effects of vibration excitation on the rising flame under various flow rate setting conditions. First, in laminar flames, a drop in the lift height of the flame and an increase in the blow-off limit are confirmed by vibration excitation, and the stability of the lift flame is improved. Second, the turbulence of the flame is promoted by vibration excitation. This is due to the turbulence of the flame and the increase in the flame end width in the turbulent flame. It is considered that the turbulence of the jet can be promoted by vibration excitation. Thirdly, depending on the state of the flame, there is an effect of preventing stable combustion, for example, a phenomenon such as redeposition to the burner or blow-off occurs due to vibration excitation.

次に、浮き上がり領域における流れ場の状態を可視化するために、流れ場に非接触レーザ計測手法であるアセトンPLIF法を用いて噴流の可視化を行った結果について述べる。
今回、噴流の可視化を行うにあたって、6つの計測条件を設定した。これらは図12で示したグループa, b, cのそれぞれから2条件ずつ選定したものであり、その詳細を図20に示す。これらの条件での浮き上がり高さは、図14、図17、図18においてそれぞれ対応するデータ点を図示した。
Next, in order to visualize the state of the flow field in the floating region, the results of jet flow visualization using the acetone PLIF method, which is a non-contact laser measurement technique, are described.
This time, six measurement conditions were set for visualizing the jet. These are two conditions selected from each of the groups a, b, and c shown in FIG. 12, and the details are shown in FIG. The lift height under these conditions is shown by corresponding data points in FIG. 14, FIG. 17, and FIG.

図21にバーナと振動励起システムの配置、及びレーザシート光の照射方向について示す。振動面11aの方向は画像における左側、つまりバーナ座標系におけるx軸方向の負となる方向に設置した。また、振動面11aと反射面14aの中心同士を結ぶ軸は、レーザシート光の照射方向と一致させて計測を行った。   FIG. 21 shows the arrangement of the burner and the vibration excitation system and the irradiation direction of the laser sheet light. The direction of the vibration surface 11a was set on the left side of the image, that is, in the negative direction of the x-axis direction in the burner coordinate system. In addition, the measurement was performed with the axis connecting the centers of the vibration surface 11a and the reflection surface 14a aligned with the irradiation direction of the laser sheet light.

まず、定常な層流火炎が形成されるケース2-i及びケース2-iiの結果について述べる。図22及び図23にケース2-i,ケース2-iiの条件における計測結果を示す。振動励起を与えない状態の噴流のみの画像(図中a)を基準として、振動励起を行った場合の噴流のみの画像(図中b)と火炎を形成させた画像(図中c)の3つについて示す。これらの条件においては、ほぼ定常な流れ場及び火炎が形成されたので、平均画像についてのみ示す。どちらの条件についても、振動励起を行わない場合には、バーナ中心軸上に対称な噴流が形成されている。その一方で、振動励起を行った場合は、噴流が振動面側に引き寄せられるように流れの向きが曲げられている様子がわかる。また、火炎もそれに応じて火炎端が非対称に変形している。このような流れの向きの変化は、上述で述べた火炎が振動面側に引き寄せられる現象の要因であると考えられる。また、2つの条件を比較すると火炎の浮き上がり高さの違いはあるものの、噴流の偏向の度合いはそれほど変化がない。よって、浮き上がり高さの変化については、外側ノズルの流速の違いが主な原因であると考えられる。   First, the results of Case 2-i and Case 2-ii in which a steady laminar flame is formed will be described. 22 and 23 show the measurement results under the conditions of Case 2-i and Case 2-ii. Based on the image of the jet only without vibration excitation (a in the figure), the image of the jet only with vibration excitation (b in the figure) and the image with the flame formed (c in the figure) I will show you one. Under these conditions, a nearly steady flow field and flame were formed, so only the average image is shown. In both conditions, when vibration excitation is not performed, a symmetric jet is formed on the burner central axis. On the other hand, when vibration excitation is performed, it can be seen that the flow direction is bent so that the jet is drawn toward the vibration surface. Further, the flame end is deformed asymmetrically in accordance with the flame. Such a change in the flow direction is considered to be a factor of the phenomenon that the flame described above is attracted to the vibration surface side. Moreover, when the two conditions are compared, there is a difference in the floating height of the flame, but the degree of jet deflection does not change much. Therefore, it is considered that the change in the floating height is mainly caused by the difference in the flow velocity of the outer nozzle.

次に、層流火炎から乱流火炎への遷移がみられたケース5-iii,ケース5-ivの結果について示す。先ず、図24及び図25にケース5-iii,ケース5-ivの条件における噴流のみの計測結果を示す。振動励起を行わない状態の平均画像(図中a)、振動励起を行った場合の平均画像(図中b)、振動励起を行わない場合の瞬間画像(図中c)、振動励起を行った場合の瞬間画像(図中d)である。図中a及び図中bの平均画像を比較すると、振動励起を行った場合は振動励起を行わない場合に比べて、噴流幅の拡がりが生じていることがわかる。また、噴流中心における蛍光輝度を比較すると、振動励起を行った場合の方が下流へ向けて著しく低下していく傾向にある。本実施例では、レーザシートにおける高さ方向の強度補正は行っていないため、同じ高さにおける輝度同士についてのみ定量的に比較可能である。振動励起を行った場合と行わない場合で同じ高さの輝度を比較すると、振動励起を行った場合において輝度がより小さくなっている。   Next, the results of Case 5-iii and Case 5-iv in which a transition from laminar flame to turbulent flame was observed are shown. First, FIGS. 24 and 25 show the measurement results of only the jet under the conditions of Case 5-iii and Case 5-iv. Average image without vibration excitation (a in the figure), average image with vibration excitation (b in the figure), instantaneous image without vibration excitation (c in the figure), vibration excitation This is an instantaneous image (d in the figure). Comparing the average images of “a” and “b” in the figure, it can be seen that when the vibration excitation is performed, the jet width is broadened compared to the case where the vibration excitation is not performed. Further, when the fluorescence luminance at the center of the jet is compared, there is a tendency for the vibration excitation to decrease significantly downstream. In the present embodiment, since the intensity correction in the height direction of the laser sheet is not performed, only the luminance at the same height can be quantitatively compared. Comparing the luminance at the same height with and without vibration excitation, the luminance is smaller when vibration excitation is performed.

このことから、振動励起により燃料と空気の速やかな混合がなされていると考えられる。これは、図中dの瞬間画像において、振動励起を行わない図中cにはみられない渦構造が確認されることから、渦による混合促進の結果であると考える。ケース2-i及びケース2-iiで確認された噴流が振動面側に曲げられる現象は、図中bの平均画像から僅かながら噴流が振動面側(x軸負の方向)へ曲がっていることがわかる。しかしながら、前述の2条件の場合と比べて同じ高さにおける噴流中心とバーナ中心軸とのずれは、非常に小さくなっている。これは、ケース5-iii及びケース5-ivはより燃料出口流速が大きな条件であり、振動励起領域(y=15mmまで)におけるメタン噴流の滞留時間が小さいことや、メタンの初期運動量が大きいことなどが原因として挙げられる。ケース5-iii及びケース5-ivにおける混合の度合いを比較すると、同じ高さにおいてほぼ同等の蛍光輝度となっており、両者に大きな差は認められない。   From this, it is considered that the fuel and air are rapidly mixed by vibration excitation. This is considered to be a result of promoting the mixing by the vortex because a vortex structure not seen in c in the figure where vibration excitation is not performed is confirmed in the instantaneous image of d in the figure. The phenomenon that the jets confirmed in Case 2-i and Case 2-ii are bent toward the vibrating surface is that the jet is slightly bent toward the vibrating surface (in the negative x-axis direction) from the average image b in the figure. I understand. However, the deviation between the jet center and the burner center axis at the same height is much smaller than in the case of the above two conditions. This is because the fuel outlet flow velocity is larger in Case 5-iii and Case 5-iv, the residence time of the methane jet in the vibration excitation region (up to y = 15mm) is small, and the initial momentum of methane is large. And so on. When the degree of mixing in case 5-iii and case 5-iv is compared, the fluorescence intensity is almost the same at the same height, and there is no significant difference between the two.

図26に、ケース5-iii,ケース5-ivにおいて浮き上がり火炎を形成させた場合の計測結果について示す。全て瞬間画像となっており、浮き上がり火炎の最上流端における火炎面を黒線で示した。ただし、ケース5-ivの振動励起を行わない場合(図中c)については、火炎が計測領域よりも高い位置に存在するため、火炎面を表示していない。この結果より、振動励起による流れ場の乱流化、及びそれに伴う混合促進により火炎形状や浮き上がり高さの変化が確認できる。   FIG. 26 shows the measurement results when a floating flame is formed in case 5-iii and case 5-iv. All are instantaneous images, and the flame surface at the uppermost stream of the floating flame is shown by a black line. However, when vibration excitation of case 5-iv is not performed (c in the figure), the flame surface is not displayed because the flame exists at a position higher than the measurement region. From this result, it is possible to confirm changes in the flame shape and the floating height due to the turbulent flow field by vibration excitation and the accompanying mixing promotion.

そして、振動の有無にかかわらず乱流火炎が形成されたケース6-v,ケース6-viの結果について述べる。図27及び図28に、ケース6-v,ケース6-viの条件における計測結果を示す。振動励起を行わない状態の平均画像(図中a)、振動励起を行った場合の平均画像(図中b)、振動励起を行わない場合の瞬間画像(図中c)、振動励起を行った場合の瞬間画像(図中d)である。各条件での瞬間画像から、振動励起の有無にかかわらずメタン噴流に渦構造が生じていることがわかる。一方で、平均画像を比較すると、噴流幅は振動励起を行った場合の方が拡大していることがわかる。また、同じ高さにおける噴流中心の蛍光輝度を比較しても、振動励起を行った場合の方が小さくなっており、振動励起により混合が促進されていると考えられる。振動励起を行った場合に生じる噴流が振動面側に曲げられる現象は、明確に確認できるほどではなかった。   The results of case 6-v and case 6-vi in which a turbulent flame is formed regardless of the presence or absence of vibration will be described. 27 and 28 show the measurement results under the conditions of case 6-v and case 6-vi. Average image without vibration excitation (a in the figure), average image with vibration excitation (b in the figure), instantaneous image without vibration excitation (c in the figure), and vibration excitation This is an instantaneous image (d in the figure). From the instantaneous images under each condition, it can be seen that a vortex structure is generated in the methane jet regardless of the presence or absence of vibration excitation. On the other hand, comparing the average images, it can be seen that the jet width is larger when vibration excitation is performed. Moreover, even when the fluorescence brightness at the jet height at the same height is compared, the case of vibration excitation is smaller, and it is considered that mixing is promoted by vibration excitation. The phenomenon in which the jet generated when vibration excitation is performed is bent to the vibration surface side is not clearly identifiable.

図29に、ケース6-v及びケース6-viにおける火炎を形成した場合の瞬間画像を比較して示す。それぞれ振動励起を行わない場合と行った場合の結果について示した。ぞれぞれの画像上において、火炎端における火炎面を黒線で図示した。振動励起によって混合が促進され、火炎がより上流に移動している様子が分かる。また、噴流幅の拡大に伴って火炎基部の幅も広がっている様子がわかる。   FIG. 29 shows a comparison of instantaneous images when flames are formed in case 6-v and case 6-vi. The results with and without vibration excitation are shown. On each image, the flame surface at the flame end is shown by a black line. It can be seen that mixing is promoted by vibration excitation and the flame is moving further upstream. Moreover, it can be seen that the width of the flame base is increased as the jet width increases.

上述では、振動励起によって噴流が曲げられる現象が確認された。この現象は噴流の中心が定在波における節と腹の間の領域に位置する場合に生じ、噴流は圧力の腹側へ曲げられる。次に、どのような要因によって噴流が曲げられる方向が決定されるか、その決定因子について以下に示す。   In the above description, the phenomenon that the jet is bent by vibration excitation has been confirmed. This phenomenon occurs when the center of the jet is located in the region between the node and the belly in the standing wave, and the jet is bent toward the ventral side of the pressure. Next, what factors determine the direction in which the jet is bent will be described below.

物体の超音波浮遊の実験例において、空気中で水や油などの液滴、及び発泡スチロール製の球体などの固体を浮遊させている。この場合は、物体は圧力の節に保持されるのが一般的である。しかし、本実施例では、噴流は圧力の腹側に向かうように偏向されるため、これらの結果とは逆の現象が生じている。ここで、メタンの気体密度は0.717kg/m3であり、空気に対する比重は0.555である。物体の空中浮遊で用いられる液体や固体は、多くの場合周囲気体(空気)よりも密度が高いと考えられ、本実施例における密度の関係は逆となっている。そこで、周囲流と中心流の密度差によって、噴流がどちらに偏向されるかが決定されると考えられ、以下に実証実験の結果を示す。 In an experimental example of ultrasonic floating of an object, a solid such as a droplet of water or oil and a styrene foam sphere is suspended in the air. In this case, the object is generally held in a pressure node. However, in the present embodiment, the jet flow is deflected toward the pressure side of the pressure, so that a phenomenon opposite to these results occurs. Here, the gas density of methane is 0.717 kg / m 3 and the specific gravity with respect to air is 0.555. In many cases, liquids and solids used in floating an object are considered to have a higher density than the surrounding gas (air), and the density relationship in this embodiment is reversed. Therefore, it is considered that the jet flow is deflected depending on the density difference between the ambient flow and the central flow, and the results of the demonstration experiment are shown below.

本実験では、密度の異なる気体として、アルゴンを用いている。アルゴンの気体密度は1.784kg/m3であり、空気に対する比重は1.38である。これまで通り、メタンを用いて行った噴流の可視化を、中心噴流にメタンの代わりにアルゴンを使用して同様に噴流の可視化を試みた。実験条件は、上述におけるケース2-iの条件を採用し、その他の設定条件も一致させている。
図30に、メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果について示す。4つの画像全ては、それぞれ100枚分の画像の平均値である。振動励起を行った場合の結果である図30中(b)と(d)より、振動励起による流れの偏向方向が逆転している様子がわかる。即ち、メタン噴流は振動面側へ、アルゴン噴流は反射面側へ偏向している。今回の実験におけるバーナと振動励起システムの位置関係では、それぞれ振動面側が圧力の腹側、反射面側が圧力の節の方向に相当する。つまり、周囲気体よりも密度の低い気体は腹側へ、密度の高い気体は節側へ引き寄せられるような作用があるということがわかった。アルゴンの結果は、超音波浮遊の実験例における周囲気体よりも密度の高い物体は超音波定在波中の圧力の節に保持されるという結果と同様の傾向を示している。
In this experiment, argon is used as a gas having a different density. The gas density of argon is 1.784 kg / m 3 and the specific gravity with respect to air is 1.38. As usual, we tried to visualize the jet flow using methane, and using argon instead of methane for the central jet in the same way. As the experimental conditions, the conditions of case 2-i described above are adopted, and other setting conditions are also matched.
FIG. 30 shows the result of visualizing the jet using methane and argon. All four images are average values of 100 images. From FIGS. 30 (b) and 30 (d), which are the results of vibration excitation, it can be seen that the flow deflection direction due to vibration excitation is reversed. That is, the methane jet is deflected toward the vibrating surface, and the argon jet is deflected toward the reflecting surface. In the positional relationship between the burner and the vibration excitation system in this experiment, the vibration surface side corresponds to the pressure side of the pressure, and the reflection surface side corresponds to the direction of the pressure node. In other words, it was found that a gas having a lower density than the surrounding gas has an effect of being drawn to the ventral side and a gas having a higher density to the node side. The result of argon shows a tendency similar to the result that an object having a higher density than the surrounding gas in the experimental example of ultrasonic levitation is held at a pressure node in the ultrasonic standing wave.

以上のことから、流れの偏向は中心噴流の気体と周囲気体の密度差によって生じ、その方向は周囲気体との密度の大小によって左右されることがわかった。   From the above, it was found that the flow deflection is caused by the density difference between the gas in the central jet and the surrounding gas, and the direction depends on the density of the surrounding gas.

層流浮き上がり火炎においては、浮き上がり高さの低下や吹き飛び限界の向上などの効果がみられた。この条件においては、メタン噴流が偏向される作用が、噴流の可視化によって確認された。これは、噴流中心が定在波における腹と節の中心付近に設置することで得られる効果であることがわかった。その偏向方向は周囲気体との密度差によって生じ、定在波の圧力の腹側へ引き寄せられるということが、密度の異なる気体を用いた噴流の可視化結果より確かめられた。このような完全に非接触な手法により流動を変化させることが気体流体においても可能であることが確認された。   In laminar uplifting flames, effects such as lowering the lifting height and improving the blow-off limit were observed. Under this condition, the effect of deflecting the methane jet was confirmed by visualization of the jet. This is an effect obtained by installing the jet center near the center of the antinode and node in the standing wave. It was confirmed from the visualization results of the jets using gases with different densities that the deflection direction is caused by the difference in density with the surrounding gas and is drawn to the ventral side of the standing wave pressure. It was confirmed that the flow can be changed even in a gas fluid by such a completely non-contact method.

振動励起によって浮き上がり噴流火炎が層流火炎から乱流火炎へと遷移する現象も確認された。これは、噴流の可視化により、振動励起によって流れ場の乱流化が促進され、その結果、火炎が流れの乱れに応じて乱流火炎へと遷移したことがわかった。さらに、振動励起なしで乱流化した火炎においても振動励起によって浮き上がり高さの低下及び火炎基部の幅の拡大が確認された。これは、振動励起によって噴流の乱流化が促進され、燃料と酸化剤の混合がより促進がなされるからであることが、可視化結果から確認された。   It was also confirmed that the jet flame rises from laminar flame to turbulent flame due to vibration excitation. It was found that the visualization of the jet stream promoted the turbulence of the flow field by vibration excitation, and as a result, the flame changed to a turbulent flame according to the turbulence of the flow. Furthermore, even in a flame that was turbulent without vibration excitation, it was confirmed that the lifted height decreased and the flame base width expanded due to vibration excitation. It was confirmed from the visualization results that this is because the turbulent flow of the jet is promoted by vibration excitation, and the mixing of the fuel and the oxidant is further promoted.

噴流バーナ出口において流れ場へ振動励起を行うことで、2つの作用が得られることがアセトンPLIF法による噴流の可視化によって確認された。第一の作用は、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置することで、噴流が偏向される作用である。第二の作用は、振動励起により噴流の乱流化を助長し、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用である。   It was confirmed by visualization of the jet by the acetone PLIF method that two effects can be obtained by vibration excitation to the flow field at the outlet of the jet burner. The first action is an action in which the jet is deflected by positioning the jet center near the node of the standing wave pressure and the center of the belly. The second action is an action that promotes the turbulent flow of the jet by vibration excitation and promotes quick mixing of the fuel and the oxidant as compared with the case where vibration excitation is not performed.

上記した第一の作用及び第二の作用により、浮き上がり噴流拡散火炎において火炎の定在位置や火炎形状の変化が生じた。層流浮き上がり火炎では、浮き上がり高さの低下及び吹き飛び限界の拡大など火炎の安定性向上や輝炎の減少などの効果があった。また、流れ場の乱流化促進効果に伴い、層流火炎から乱流火炎への遷移とそれに伴う火炎形状の変化、及び乱流火炎における浮き上がり高さの低下や火炎基部の幅が拡大するという効果がみられた。   Due to the first action and the second action described above, the standing position of the flame and the change of the flame shape occurred in the floating jet diffusion flame. Laminar floating flames have the effect of improving the stability of the flame and reducing the luminous flame, such as lowering the floating height and increasing the blow-off limit. In addition, with the effect of promoting turbulence in the flow field, the transition from laminar flame to turbulent flame and the accompanying change in flame shape, and the rise in the turbulent flame and the width of the flame base increase. The effect was seen.

流れの偏向作用は、周囲噴流と中心噴流の気体の密度差によって生じることがわかった。周囲気体よりも密度が小さい気体の場合は定在波における圧力の腹側へ、周囲気体よりも密度が大きな気体の場合は圧力の節側へ、それぞれ偏向方向が決まることがわかった。また、噴流が曲げられる度合いは、中心噴流の初期流速が小さい条件においてより大きな偏向がみられたことから、振動励起領域における滞留時間や噴流の運動量などの影響で決定される。   It was found that the flow deflection effect was caused by the difference in density between the surrounding jet and the central jet. It was found that the direction of deflection is determined to the ventral side of the pressure in the standing wave when the gas has a lower density than the surrounding gas, and to the node side of the pressure when the gas has a higher density than the surrounding gas. Further, the degree of bending of the jet is determined by the influence of the residence time in the vibration excitation region, the momentum of the jet, and the like, since a larger deflection was observed under the condition that the initial flow velocity of the central jet is small.

上述した実施例における実験により得られた噴流型燃焼器の火炎制御方法及び火炎制御装置の特徴と効果を以下に示す。   The features and effects of the flame control method and flame control apparatus for the jet-type combustor obtained by the experiment in the above-described embodiment will be described below.

噴流型燃焼器の火炎制御方法において、火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことで、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。   In the flame control method of a jet-type combustor, the vibration flow is given to the flame flow field to change the floating jet flame, and the combustion control in the jet-type combustor is performed to increase the strength of vibration excitation and vibration excitation. By adjusting the position of the flow field of the applied flame, it is possible to realize an optimal combustion operation for improving the stability of the flame, such as the expansion of the blow-off limit, in addition to the change in the lift height of the lifted flame.

また、噴流型燃焼器の火炎制御方法において、振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることで、浮き上がり噴流火炎の燃焼状態を左右する因子が、火炎上流の流れ場ないしは混合場であることが判明し、この部分を振動励起で制御することにより、最適な制御が可能となる。   Further, in the flame control method of the jet-type combustor, the flow field of the flame to which vibration excitation is applied is the flow field or the mixing field upstream of the flame, and the factor that determines the combustion state of the rising jet flame is the upstream of the flame. It becomes clear that this is a flow field or a mixing field, and optimal control is possible by controlling this part by vibration excitation.

更に、噴流型燃焼器の火炎制御方法において、火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することで、燃料系の密度の選択により、容易に火炎の偏向方向制御が可能となる。   Furthermore, in the flame control method of a jet-type combustor, when the deflection direction of the flame is deflected to the ventral side of the pressure in the standing wave as a flame deflection direction control, the density of the fuel system is made smaller than the surrounding gas. When selecting and deflecting the deflection direction of the flame to the nodal side of the pressure in the standing wave, by selecting the fuel system density to be larger than the surrounding gas, it is easy to select the fuel system density. The deflection direction can be controlled.

噴流型燃焼器の火炎制御装置において、火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことで、振動励起の強さ、振動励起を与える火炎の流れ場の位置などを調整することにより、浮き上がり火炎の浮き上がり高さ等の変化に加えて、吹き飛び限界の拡大など、火炎の安定性向上に最適な燃焼運転を実現できることになる。   In a flame control device for a jet-type combustor, a vibration excitation means is arranged in the vicinity of the flame flow field, and vibration excitation is applied to the flame flow field by the vibration excitation means, and the combustion control is performed by changing the rising jet flame. By adjusting the strength of vibration excitation and the position of the flow field of the flame that gives vibration excitation, the stability of the flame, such as the expansion of the blow-off limit, in addition to changes in the lift height of the lifted flame, etc. Combustion operation that is optimal for improvement can be realized.

また、噴流型燃焼器の火炎制御装置において、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることで、噴流中心を定在波の圧力の節と腹の中心付近に位置させることで、噴流が偏向される作用に優れ、かつ振動励起により噴流の乱流化を助長でき、振動励起を行わない場合に比べて燃料と酸化剤の速やかな混合を促す作用を効果的に得ることが出来る。   In addition, in the flame control device of a jet-type combustor, the center of the jet is located near the node of the pressure of the standing wave and the center of the belly by high-frequency vibration that forms a standing wave between the pair of vibrating surfaces and the reflecting surface By positioning it, it is excellent in the action of deflecting the jet, and it can promote the turbulence of the jet by vibration excitation, and it is effective in promoting prompt mixing of fuel and oxidant compared to the case without vibration excitation Can be obtained.

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。   Although the embodiments of the present invention have been described with reference to the drawings, the specific configuration is not limited to these embodiments, and modifications and additions within the scope of the present invention are included in the present invention. It is.

例えば、上記実施例では、火炎の流れ場に与える振動励起のシステムとして、振動子に接続された振動面及び反射面を配置して、振動子により起振された所定の周波数を火炎の流れ場に与えているが、振動励起のシステムについては、必ずしも本実施例に限られず、火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うものであれば、例えば起振される周波数も高周波でなく低周波であってもよいし、また反射面を特段に設けずに、起振面若しくは起振部のみが設けられていてもよい。   For example, in the above embodiment, as a vibration excitation system applied to the flame flow field, a vibration surface and a reflection surface connected to the vibrator are arranged, and a predetermined frequency excited by the vibrator is set to the flame flow field. However, the vibration excitation system is not necessarily limited to this embodiment, and the vibration control is applied to the flow field of the flame to change the floating jet flame and control the combustion in the jet type combustor. In this case, for example, the frequency to be excited may be a low frequency instead of a high frequency, or only the excitation surface or the excitation unit may be provided without particularly providing the reflection surface.

また、上記実施例では、燃料としてメタン、酸化剤として乾燥空気を用いているが、燃料若しくは酸化剤の種類は、必ずしも本実施例に限られず、周知の代替材料であっても構わない。   In the above embodiment, methane is used as the fuel and dry air is used as the oxidizer. However, the type of the fuel or oxidizer is not necessarily limited to this embodiment, and a known alternative material may be used.

噴流型燃焼器に供給される燃料及び酸化剤の供給系の全体図である。It is a general view of the supply system of the fuel and oxidant supplied to a jet type combustor. バーナ上で形成される浮き上がり噴流火炎の写真及びバーナの一部断面図である。It is the photograph of the floating jet flame formed on a burner, and the partial cross section figure of a burner. 燃料流速と空気流速の条件による噴流火炎の基本特性を示す図である。It is a figure which shows the basic characteristic of the jet flame by the conditions of a fuel flow velocity and an air flow velocity. 代表的な火炎についての写真である。It is a photograph about a typical flame. 振動励起システム全体の概念図である。It is a conceptual diagram of the whole vibration excitation system. 高周波振動励起時のバーナ付着火炎の写真である。It is a photograph of the burner adhesion flame at the time of high frequency vibration excitation. 振動面と反射面との間の定在波を示す図である。It is a figure which shows the standing wave between a vibration surface and a reflective surface. 火炎の浮上がり高さの定義とバーナからの火炎のずれの定義を示す図である。It is a figure which shows the definition of the floating height of a flame, and the definition of the deviation | shift of the flame from a burner. 各計測における流速設定条件を示す図である。It is a figure which shows the flow-rate setting conditions in each measurement. (a)は、ケースAにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、(b)は、(a)と同じく写真である。(A) is a figure which shows the change of the flame stationary position in case A, (b) is a photograph similarly to (a). (a)は、ケースBにおける火炎定在位置の変化を示す図であり、(b)は、(a)と同じく写真である。(A) is a figure which shows the change of the flame stationary position in case B, (b) is a photograph similarly to (a). 振動励起による浮上がり高さの変化について計測条件を分類した表である。It is the table | surface which classified measurement conditions about the change of the floating height by vibration excitation. Vf=0.7m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 0.7m / s. Vf=1.4m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 1.4m / s. Vf=2.1m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 2.1m / s. Vf=2.8m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 2.8m / s. Vf=4.2m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 4.2m / s. Vf=5.6m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 5.6m / s. Vf=7.0m/sにおける浮上がり高さについて示す図である。It is a figure shown about the floating height in Vf = 7.0m / s. アセトンPLIF法について計測条件を分類した表である。It is the table | surface which classified the measurement conditions about the acetone PLIF method. 振動励起システムの配置、レーザシート光の照射方向を示す図である。It is a figure which shows arrangement | positioning of a vibration excitation system, and the irradiation direction of a laser sheet light. ケース2-iにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 2-i. ケース2-iiにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 2-ii. ケース5-iiiにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 5-iii. ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 5-iv. ケース5-iii,ケース5-ivにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 5-iii and case 5-iv. ケース6-vにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 6-v. ケース6-viにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 6-vi. ケース6-v及びケース6-viにおける計測結果を示す図である。It is a figure which shows the measurement result in case 6-v and case 6-vi. メタン及びアルゴンを用いて噴流を可視化した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having visualized a jet flow using methane and argon.

符号の説明Explanation of symbols

1 バーナ
1a 内側整流部
1b 金属メッシュ
1c 内側ノズル
1d 外側整流部
1e 外側ノズル
2 ガスボンベ
3 調圧器
4 電子式流量計
5 流量調節器
6a、6b 開閉弁
7 ガスボンベ
8 調圧器
9 電子式流量計
10 振動子
11 伝達用ホーン
11a 振動面
12 駆動電源
13 ファンクションジェネレータ
14 反射体
14a 反射面
15 開閉弁
16 アセトン添加部
17 開閉弁
18 流量調節器
20 火炎制御装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Burner 1a Inner rectification | straightening part 1b Metal mesh 1c Inner nozzle 1d Outer rectification | straightening part 1e Outer nozzle 2 Gas cylinder 3 Pressure regulator 4 Electronic flow meter 5 Flow regulator 6a, 6b On-off valve 7 Gas cylinder 8 Pressure regulator 9 Electronic flow meter 10 Vibration Child 11 Transmission horn 11a Vibrating surface 12 Drive power supply 13 Function generator 14 Reflector 14a Reflecting surface 15 On-off valve 16 Acetone addition unit 17 On-off valve 18 Flow rate regulator 20 Flame control device

Claims (5)

火炎の流れ場に振動励起を与えることにより、浮き上がり噴流火炎を変化させ、噴流型燃焼器における燃焼制御を行うことを特徴とする噴流型燃焼器の火炎制御方法。   A method of controlling a flame of a jet-type combustor, characterized in that a combustion flow in a jet-type combustor is controlled by changing an up-flowing jet flame by applying vibration excitation to a flow field of the flame. 前記振動励起が与えられる火炎の流れ場が、火炎上流の流れ場もしくは混合場であることを特徴とする請求項1に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法。   The flame control method for a jet-type combustor according to claim 1, wherein the flow field of the flame to which the vibration excitation is applied is a flow field or a mixing field upstream of the flame. 火炎の偏向方向制御として、火炎の偏向方向を定在波における圧力の腹側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも小さい気体に選択し、火炎の偏向方向を定在波における圧力の節側へ偏向させる場合は、燃料系の密度を周囲気体よりも大きな気体に選択することを特徴とする請求項1または2に記載の噴流型燃焼器の火炎制御方法。   When deflecting the deflection direction of the flame to the ventral side of the pressure in the standing wave as the control of the deflection direction of the flame, the density of the fuel system is selected to be smaller than the surrounding gas and the deflection direction of the flame is set to the standing wave. 3. The flame control method for a jet-type combustor according to claim 1, wherein the density of the fuel system is selected to be larger than the surrounding gas when the pressure is deflected to the node side of the pressure. 火炎の流れ場近傍に振動励起手段を配置し、該振動励起手段により火炎の流れ場に振動励起を与え、浮き上がり噴流火炎を変化させることにより、燃焼制御を行うことを特徴とする噴流型燃焼器の火炎制御装置。   A jet-type combustor characterized in that a vibration excitation means is disposed in the vicinity of a flame flow field, and combustion control is performed by applying vibration excitation to the flame flow field by the vibration excitation means and changing the floating jet flame. Flame control device. 前記振動励起手段が、一対の振動面と反射面の間に定在波を形成する高周波振動であることを特徴とする請求項4に記載の噴流型燃焼器の火炎制御装置。   The flame control device for a jet-type combustor according to claim 4, wherein the vibration excitation means is high-frequency vibration that forms a standing wave between a pair of vibration surfaces and a reflection surface.
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