JP6796395B2 - Combustion flow numerical analysis program and combustion flow numerical analysis method - Google Patents

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本発明は、燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法に関するものである。 The present invention relates to a combustion flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing the flow of fuel and an oxidant accompanied by combustion.

現在、世界のエネルギー供給の約1/2は、水素燃料および炭化水素系燃料を用いるものが占めている。そのため、水素燃料および炭化水素系燃料を燃料とする燃焼技術の最適化は、COの排出量削減のための重要課題の一つである。 Currently, about half of the world's energy supply is made up of hydrogen fuels and hydrocarbon fuels. Therefore, optimization of combustion technology using hydrogen fuel and hydrocarbon fuel as fuel is one of the important issues for reducing CO 2 emissions.

一般的に、燃料と酸化剤との燃焼は、多数の分子種による多段反応により構成され、その燃焼過程は、主として、以下の関係により支配されている。
(1)化学反応素過程
(2)化学反応過程に存在する全ての化学種の質量保存則
(3)燃焼混合気の運動量保存則
(4)燃焼混合気のエネルギー保存則
In general, the combustion of fuel and oxidizer is composed of multi-step reactions by many molecular species, and the combustion process is mainly governed by the following relationship.
(1) Conservation of mass of all chemical species existing in the chemical reaction process (3) Conservation of momentum of the combustion mixture (4) Conservation of energy of the combustion mixture

また、非定常、非均一な燃焼混合気の熱的条件を特定するためには、各化学種の熱的物性値および燃焼混合気の状態方程式を与える必要がある。 In addition, in order to specify the thermal conditions of the unsteady and non-uniform combustion mixture, it is necessary to give the thermal property values of each chemical species and the equation of state of the combustion mixture.

例えば、化学反応素過程は、水素燃料を用いる場合には、9種の化学物質と21種の素反応よりなると考えられる。また、炭化水素系燃料を用いる場合には、30から数100種の化学物質と300から1000以上の素反応が関与するものと考えられている。 For example, the chemical reaction elementary process is considered to consist of 9 kinds of chemical substances and 21 kinds of elementary reactions when hydrogen fuel is used. Further, when a hydrocarbon fuel is used, it is considered that 30 to several hundred kinds of chemical substances and 300 to 1000 or more elementary reactions are involved.

また、化学反応の空間スケールおよび時間スケールは、流れの空間スケールおよび時間スケールに比べて約1/10と小空間・短時間の反応であり、数値解析における格子点数や時間刻みを流れの数値解析よりも細かくしなければならない。よって、このような多数の分子種による多段反応について近似モデルを使用せずに、直接、支配方程式の数値解析を行う場合、膨大な計算負荷を必要とする。そのため、化学反応素過程は詳細に検討されているものの、燃焼流れのような多種多段の化学反応と流れとを同時に数値解析することは困難であると指摘されている。 In addition, the spatial scale and time scale of the chemical reaction are small space and short time reaction, which is about 1/10 of the spatial scale and time scale of the flow, and the numerical analysis of the number of lattice points and the time step in the numerical analysis of the flow. Must be finer than. Therefore, if the numerical analysis of the governing equation is directly performed without using an approximate model for the multi-step reaction by such a large number of molecular species, a huge calculation load is required. Therefore, although the chemical reaction elemental process has been investigated in detail, it has been pointed out that it is difficult to numerically analyze various multi-stage chemical reactions such as combustion flow and the flow at the same time.

このような問題に対し、従来、燃料と酸化剤の燃焼混合気の拡散混合を表す保存スカラー量を用いることで、予め化学反応の数値解析と流れの数値解析とを分離して数値解析を行うflamelet approachという方法がある。しかし、このflamelet approachは、1種類の保存スカラー量のみで燃焼反応状態を仮定するものであり、多種の燃料、あるいは流れや熱的条件の変化に対する汎用性に欠け、適用範囲や解析精度が原理的に限定されている。 To solve this problem, conventionally, by using a storage scalar amount that represents the diffusion mixture of the combustion mixture of fuel and oxidizer, numerical analysis of chemical reaction and numerical analysis of flow are separated in advance and numerical analysis is performed. There is a method called flamelet approach. However, this flamelet approach assumes a combustion reaction state with only one type of stored scalar quantity, lacks versatility for various fuels, or changes in flow and thermal conditions, and is based on the principle of application range and analysis accuracy. Is limited.

そこで、これまでに本願の発明者らは、flamelet approachにおける適用範囲や解析精度の問題点を、複数の保存スカラー量を用いることにより効率的かつ高精度な数値解が得られるように解決した燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法に関する発明を提案し、特許権を取得している(特許文献1)。 Therefore, the inventors of the present application have solved the problems of the applicable range and analysis accuracy in the flamelet approach so that an efficient and highly accurate numerical solution can be obtained by using a plurality of stored scalar amounts. We have proposed an invention related to a flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method, and obtained a patent right (Patent Document 1).

特許第5863109号公報Japanese Patent No. 5863109

しかしながら、特許文献1に記載されている発明においては、燃焼化学反応が平衡状態またはそれに近い状態にあることを仮定しているため、そのような状態でのシミュレーションには好適であるが、実機燃焼流動場のように燃焼が少しずつ進行していく、いわゆる非平衡状態の化学反応の数値解析には適用できない。 However, in the invention described in Patent Document 1, since it is assumed that the combustion chemical reaction is in an equilibrium state or a state close to it, it is suitable for simulation in such a state, but it is actually burned. It cannot be applied to the numerical analysis of so-called non-equilibrium chemical reactions in which combustion progresses little by little like a flow field.

本発明は、以上の特許発明における適用制限に係る課題を解決するためになされたものであって、燃焼化学反応が非平衡状態の燃焼流れである数値解析に適用できるとともに、それに伴う計算負荷の増加を抑制することができる、燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法を提供することを目的としている。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems related to application restrictions in the patented invention, and can be applied to numerical analysis in which the combustion chemical reaction is a combustion flow in a non-equilibrium state, and the calculation load associated therewith. It is an object of the present invention to provide a combustion flow numerical analysis program and a combustion flow numerical analysis method capable of suppressing an increase.

本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムは、燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムであって、前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー量のうち、所定の前記保存スカラー量を用いて熱平衡状態における温度、熱平衡状態における密度および質量燃焼速度を含む化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成手段と、前記保存スカラー量の保存方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー量を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー量取得手段と、前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー量を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出手段と、燃焼反応の非平衡状態を表す指標スカラー量の保存方程式および前記瞬時・局所化学反応条件を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出手段と、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析手段として、コンピュータを機能させるものである。 The combustion flow numerical analysis program according to the present invention is a combustion flow numerical analysis program for numerically analyzing the flow of a fuel and an oxidizing agent that accompanies combustion, and is used for each of the fuel, the oxidizing agent, and a combustion mixture in which they are mixed. Among a plurality of stored scalar amounts set based on the chemical composition, the chemical reaction conditions including the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass burning rate are obtained by numerical analysis using the predetermined stored scalar amount. A means for creating a chemical reaction condition database that stores the chemical reaction conditions in the chemical reaction condition database, and a means for acquiring an instantaneous / locally preserved scalar amount by numerical analysis using the preservation equation of the preserved scalar amount. And the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means for calculating the instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally preserved scalar amount, and the non-equilibrium state of the combustion reaction. Instantaneous / local physical property value calculation means for calculating the instantaneous / local physical property value using the conservation equation of the scalar amount and the instantaneous / local chemical reaction condition, the instantaneous / local chemical reaction condition, and the instantaneous / local physical property value. The computer functions as a combustion flow analysis means for numerically analyzing the flow of the fuel, the oxidizing agent, and the combustion mixture with combustion using the above.

本発明に係る燃焼流れ数値解析方法は、燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析方法であって、前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー量のうち、所定の前記保存スカラー量を用いて熱平衡状態における温度、熱平衡状態における密度および質量燃焼速度を含む化学反応条件を数値解析により取得し、その化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させる化学反応条件データベース作成ステップと、前記保存スカラー量の保存方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー量を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー量取得ステップと、前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー量を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出ステップと、燃焼反応の非平衡状態を表す指標スカラー量の保存方程式および前記瞬時・局所化学反応条件を用いて瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出ステップと、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析ステップとを有する。 The combustion flow numerical analysis method according to the present invention is a combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing a flow accompanied by combustion of a fuel and an oxidizing agent, and is used for each of the fuel, the oxidizing agent, and a combustion mixture in which they are mixed. Among a plurality of stored scalar amounts set based on the chemical composition, the chemical reaction conditions including the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass burning rate are obtained by numerical analysis using the predetermined stored scalar amount. A step of creating a chemical reaction condition database in which the chemical reaction conditions are stored in the chemical reaction condition database, and a step of acquiring an instantaneous / locally preserved scalar amount by numerical analysis using the preservation equation of the preserved scalar amount. And the instantaneous / local chemical reaction condition calculation step for calculating the instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally preserved scalar amount, and the non-equilibrium state of the combustion reaction. The instantaneous / local physical property value calculation step for calculating the instantaneous / local physical property value using the conservation equation of the scalar amount and the instantaneous / local chemical reaction condition, the instantaneous / local chemical reaction condition, and the instantaneous / local physical property value. It has a combustion flow analysis step of numerically analyzing the flow of the fuel, the oxidizing agent, and the combustion mixture with combustion using the above.

本発明によれば、燃焼化学反応が非平衡状態の燃焼流れである数値解析に適用できるとともに、それに伴う計算負荷の増加を抑制することができる。 According to the present invention, the combustion chemical reaction can be applied to the numerical analysis which is the combustion flow in the non-equilibrium state, and the increase in the calculation load accompanying the combustion can be suppressed.

本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムを備えたコンピュータの一実施形態を示すブロック図である。It is a block diagram which shows one Embodiment of the computer provided with the combustion flow numerical analysis program which concerns on this invention. 本実施形態の燃焼場および想定される燃料組成スカラー量ξの値の範囲を示す概略図である。It is the schematic which shows the range of the value of the combustion field of this embodiment and the assumed fuel composition scalar amount ξ. 本実施形態の保存スカラー量組合せ設定部により設定される2種類の保存スカラー量の任意の組み合わせを示す概略図である。It is a schematic diagram which shows arbitrary combination of two kinds of preservation scalar amounts set by the preservation scalar amount combination setting part of this embodiment. 本実施形態の瞬時・局所化学反応条件算出手段における瞬時・局所化学反応条件の算出例を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the calculation example of the instantaneous / local chemical reaction condition in the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means of this embodiment. 本実施形態における指標スカラー量Gを用いた予混合燃焼を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the premixed combustion using the index scalar amount G in this embodiment. 本実施形態の各構成の機能を示す機能ブロック図である。It is a functional block diagram which shows the function of each structure of this embodiment. 本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法における処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart which shows the process flow in the combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method of this embodiment. 本実施形態の化学反応条件データベース作成手段における処理の流れを示すフローチャート図である。It is a flowchart which shows the flow of processing in the chemical reaction condition database creation means of this embodiment. 本実施例1における解析対象とした矩形板状の燃焼流動場を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the rectangular plate-shaped combustion flow field which was analyzed in Example 1. FIG. 本実施例1の化学反応条件データベース作成手段により作成された熱平衡状態における温度のデータベースを示す3次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows the database of the temperature in the thermal equilibrium state created by the chemical reaction condition database creation means of this Example 1. 図10に示す3次元グラフをξ軸方向に見たグラフである。The three-dimensional graph shown in FIG. 10 is a graph seen xi] c-axis direction. 図11の一部を拡大したグラフである。It is a graph which enlarged a part of FIG. 本実施例1の化学反応条件データベース作成手段により作成された熱平衡状態における比体積(密度の逆数)のデータベースを示す3次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows the database of the specific volume (reciprocal of density) in the thermal equilibrium state created by the chemical reaction condition database creation means of this Example 1. 図13に示す3次元グラフをξ軸方向に見たグラフである。The three-dimensional graph shown in FIG. 13 is a graph seen xi] c-axis direction. 本実施例1の化学反応条件データベース作成手段により作成された質量燃焼速度のデータベースを示す3次元グラフである。It is a three-dimensional graph which shows the database of the mass combustion rate created by the chemical reaction condition database creation means of this Example 1. 図15に示す3次元グラフをξ軸方向に見たグラフである。The three-dimensional graph shown in FIG. 15 is a graph seen xi] c-axis direction. 本実施例1の燃焼流動場におけるZ軸断面のプロット取得位置を示す正面図である。It is a front view which shows the plot acquisition position of the Z-axis cross section in the combustion flow field of this Example 1. 本実施例1の解析結果を示す温度分布図である。It is a temperature distribution chart which shows the analysis result of this Example 1. 図17に示すZ軸断面のプロット取得位置における温度分布図である。It is a temperature distribution chart at the plot acquisition position of the Z-axis cross section shown in FIG. 本実施例1の解析結果を示す混合気中の燃料の質量分率ξの分布図である。It is a distribution map of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture which shows the analysis result of this Example 1. 図17に示すZ軸断面のプロット取得位置における混合気中の燃料の質量分率ξの分布図である。It is a distribution map of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture at the plot acquisition position of the Z-axis cross section shown in FIG. 本実施例1の解析結果を示す燃料中の炭素割合ξ および炭素の質量分率Z の分布図である。It is a distribution map of the carbon ratio ξ c and the carbon mass fraction Z c in the fuel which shows the analysis result of this Example 1. 本実施例1の解析結果を示す指標スカラー量Gの分布図である。It is a distribution map of the index scalar quantity G which shows the analysis result of this Example 1. 図17に示すZ軸断面のプロット取得位置における指標スカラー量Gの分布図である。It is a distribution map of the index scalar amount G at the plot acquisition position of the Z-axis cross section shown in FIG. 本実施例1の解析結果を示す指標スカラー量Gの拡大分布図である。It is an enlarged distribution map of the index scalar amount G which shows the analysis result of this Example 1. 本実施例1の解析結果を示す質量燃焼速度分布図である。It is a mass combustion rate distribution map which shows the analysis result of this Example 1. 本実施例1の解析結果を示す密度分布図である。It is a density distribution map which shows the analysis result of this Example 1. 図17に示すZ軸断面のプロット取得位置における密度分布図である。It is a density distribution chart at the plot acquisition position of the Z-axis cross section shown in FIG. 本実施例2における解析対象とした燃焼器の燃焼流動場を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the combustion flow field of the combustor which was analyzed in this Example 2. 本実施例2における燃料および酸化剤の供給場所を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the supply place of fuel and oxidant in this Example 2. FIG. 本実施例2における断面プロットのデータ取得位置および無次元化座標を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the data acquisition position and dimensionless coordinates of the cross-sectional plot in Example 2. FIG. 本実施例2の解析結果を示す温度分布図である。It is a temperature distribution map which shows the analysis result of this Example 2. 図31に示す断面プロットのデータ取得位置における温度分布図である。It is a temperature distribution chart at the data acquisition position of the cross-sectional plot shown in FIG. 本実施例2の解析結果を示す質量燃焼速度分布図である。It is a mass combustion rate distribution map which shows the analysis result of this Example 2. 本実施例2の解析結果を示す燃料中の炭素割合ξの分布図である。The analysis results of Example 2 is a distribution diagram of the carbon percentage xi] c in the fuel shown. 本実施例2の解析結果を示す指標スカラー量Gの拡大分布図である。It is an enlarged distribution map of the index scalar amount G which shows the analysis result of this Example 2.

以下、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法の一実施形態について図面を用いて説明する。図1は、本実施形態における燃焼流れ数値解析プログラム1aを備えたコンピュータ1の構成を示すブロック図である。 Hereinafter, an embodiment of the combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a computer 1 provided with a combustion flow numerical analysis program 1a according to the present embodiment.

本実施形態におけるコンピュータ1は、主として、入力手段2、表示手段3、記憶手段4および演算処理手段5から構成されている。 The computer 1 in the present embodiment is mainly composed of an input means 2, a display means 3, a storage means 4, and an arithmetic processing means 5.

入力手段2は、テキストや数値を入力する操作キー、操作マウス等からなる。本実施形態においては、燃焼流れ数値解析プログラム1aを実行する際に用いられる初期条件、設定条件等の数値の入力操作等に用いることができるようになっている。 The input means 2 includes an operation key for inputting text and numerical values, an operation mouse, and the like. In the present embodiment, it can be used for input operations of numerical values such as initial conditions and setting conditions used when executing the combustion flow numerical analysis program 1a.

表示手段3は、画像やテキストデータを表示する液晶ディスプレーやCRTディスプレー、タッチパネル等からなり、燃焼流れ数値解析プログラム1aにおけるユーザーインターフェースとして、入力手段2により入力された内容や解析結果等を表示できるようになっている。 The display means 3 includes a liquid crystal display, a CRT display, a touch panel, etc. for displaying images and text data, and can display the contents and analysis results input by the input means 2 as a user interface in the combustion flow numerical analysis program 1a. It has become.

記憶手段4は、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、ハードディスク、フラッシュメモリ等によって構成されており、各種のデータを記憶するとともに、演算処理手段5が演算を行う際のワーキングエリアとして機能するものである。 The storage means 4 is composed of a ROM (Read Only Memory), a RAM (Random Access Memory), a hard disk, a flash memory, etc., and stores various data and is a working area when the calculation processing means 5 performs a calculation. It functions as.

本実施形態において、記憶手段4は、図1に示すように、主として、燃焼流れ数値解析プログラム1aを記憶するプログラム記憶部41と、後述する演算処理手段5の化学反応条件データベース作成手段6により取得された化学反応条件を記憶させておく化学反応条件データベース42とを有する。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the storage means 4 is mainly acquired by the program storage unit 41 that stores the combustion flow numerical analysis program 1a and the chemical reaction condition database creation means 6 of the arithmetic processing means 5 described later. It has a chemical reaction condition database 42 for storing the obtained chemical reaction conditions.

プログラム記憶部41には、本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラム1aがインストールされている。そして、演算処理手段5が、前記燃焼流れ数値解析プログラム1aを実行し、コンピュータ1等を後述する各構成部として機能させるようになっている。 The combustion flow numerical analysis program 1a of the present embodiment is installed in the program storage unit 41. Then, the arithmetic processing means 5 executes the combustion flow numerical analysis program 1a to make the computer 1 and the like function as each component described later.

なお、燃焼流れ数値解析プログラム1aの利用形態は、上記構成に限られるものではない。例えば、CD−ROMやUSBメモリ等のように、コンピュータ1で読み取り可能な非一時的な記録媒体に燃焼流れ数値解析プログラム1aを記憶させておき、この記録媒体から直接読み出して実行してもよい。また、外部サーバ等からクラウドコンピューティング方式やASP(application service provider)方式等で利用してもよい。 The usage pattern of the combustion flow numerical analysis program 1a is not limited to the above configuration. For example, the combustion flow numerical analysis program 1a may be stored in a non-temporary recording medium that can be read by the computer 1, such as a CD-ROM or a USB memory, and read directly from this recording medium for execution. .. Further, it may be used by a cloud computing method, an ASP (application service provider) method, or the like from an external server or the like.

演算処理手段5は、CPU(Central Processing Unit)等から構成されており、記憶手段4にインストールされた燃焼流れ数値解析プログラム1aを実行させることにより、図1に示すように、化学反応条件データベース作成手段6、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7、瞬時・局所化学反応条件算出手段8、瞬時・局所物性値算出手段9および燃焼流れ解析手段10としてコンピュータ1を機能させるようになっている。以下、演算処理手段5の各構成部について説明する。 The arithmetic processing means 5 is composed of a CPU (Central Processing Unit) and the like, and by executing the combustion flow numerical analysis program 1a installed in the storage means 4, a chemical reaction condition database is created as shown in FIG. The computer 1 is made to function as the means 6, the instantaneous / locally stored scalar amount acquisition means 7, the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8, the instantaneous / local physical property value calculation means 9, and the combustion flow analysis means 10. Hereinafter, each component of the arithmetic processing means 5 will be described.

化学反応条件データベース作成手段6は、燃料、酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいて設定される複数の保存スカラー量を用いて、化学反応条件を取得し、その化学反応条件を記憶手段4の化学反応条件データベース42に保存するものである。 The chemical reaction condition database creation means 6 acquires chemical reaction conditions using a plurality of stored scalar amounts set based on each chemical composition in the fuel, the oxidant, and the combustion mixture in which they are mixed, and obtains the chemical reaction conditions. The conditions are stored in the chemical reaction condition database 42 of the storage means 4.

本実施形態における化学反応条件は、後述する瞬時・局所物性値算出手段9において、燃焼反応の非平衡状態を表す指標スカラー量Gに基づき燃焼場における瞬時かつ局所の物性値を算出可能とするため、熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度が含まれている。なお、化学反応条件は、熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度に限定されるものではなく、必要に応じて化学種分率等が含まれていてもよい。 The chemical reaction condition in the present embodiment is to enable the instantaneous / local physical property value calculating means 9, which will be described later, to calculate the instantaneous and local physical property value in the combustion field based on the index scalar amount G indicating the non-equilibrium state of the combustion reaction. Includes thermal equilibrium temperature, thermal equilibrium density and mass burning rate. The chemical reaction conditions are not limited to the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass combustion rate, and may include the chemical species fraction and the like, if necessary.

本実施形態における化学反応条件データベース作成手段6は、図1に示すように、保存スカラー量設定部61と、保存スカラー量組合せ設定部62と、化学反応条件取得部63と、データベース作成部64とを有する。 As shown in FIG. 1, the chemical reaction condition database creating means 6 in the present embodiment includes a storage scalar amount setting unit 61, a storage scalar amount combination setting unit 62, a chemical reaction condition acquisition unit 63, and a database creation unit 64. Has.

保存スカラー量設定部61は、複数の保存スカラー量を設定するものである。燃焼反応において一般的に炭素分子、水素分子は酸化され、燃料として働く。そのため混合気体中の炭素Cと水素Hを燃料、酸素Oと窒素Nを酸化剤とみなすと、燃料と酸化剤を流入気体ではなく元素で区別できる。この考えに基づくと、混合気中の燃料の質量分率ξ、混合気体の正規化エンタルピξ、燃料中の炭素の割合ξ、酸化剤中の酸素の割合ξを用いることで一般的な火炎構造を表すことができる。 The storage scalar amount setting unit 61 sets a plurality of storage scalar amounts. In the combustion reaction, carbon molecules and hydrogen molecules are generally oxidized and act as fuel. Therefore, if carbon C and hydrogen H in the mixed gas are regarded as fuel and oxygen O and nitrogen N are regarded as oxidizing agents, the fuel and oxidizing agent can be distinguished by elements instead of inflow gas. Based on this idea, it is common to use the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture, the normalized enthalpy ξ h of the mixed gas, the carbon ratio ξ c in the fuel, and the oxygen ratio ξ o in the oxidizer. Can represent a flame structure.

よって、本実施形態では、保存スカラー量として、混合気中の燃料の質量分率ξ、混合気体の正規化エンタルピξ、燃料中の炭素の割合ξ、酸化剤中の酸素の割合ξが設定されている。以下、各保存スカラー量について説明する。 Therefore, in the present embodiment, the stored scalar amounts are the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture, the normalized enthalpy ξ h of the mixed gas, the carbon ratio ξ c in the fuel, and the oxygen ratio ξ o in the oxidant. Is set. Hereinafter, each storage scalar amount will be described.

混合気中の燃料の質量分率ξは、燃料に含まれる炭素Cおよび水素Hの質量保存則に基づき設定されるものであり、燃料に含まれる炭素Cの質量分率Zと、燃料に含まれる水素Hの質量分率Zとの和により、以下の式(1)により表される。
・・・式(1)
また、燃料の質量分率ξをξ=Z+Z=Zとして置き換えると、燃料の質量分率ξの保存方程式は、以下の(2)により表される。
・・・式(2)
The mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture is set based on the mass conservation law of carbon C and hydrogen H contained in the fuel, and the mass fraction Z C of carbon C contained in the fuel and the fuel It is expressed by the following equation (1) by the sum of the contained hydrogen H and the mass fraction Z H.
... Equation (1)
Further, if the mass fraction ξ of the fuel is replaced with ξ = Z C + Z H = Z, the conservation equation of the mass fraction ξ of the fuel is expressed by the following (2).
... Equation (2)

このとき、混合気中の燃料の質量分率ξは以下の式(3)に示す範囲で定義される。
0≦ξ≦1・・・式(3)
これにより、混合気中の燃料の質量分率ξは、以下の式(4)および式(5)の制限が設けられる。
のとき
・・・式(4)
のとき
・・・式(5)
At this time, the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture is defined in the range shown in the following equation (3).
0 ≤ ξ ≤ 1 ... Equation (3)
As a result, the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture is limited by the following equations (4) and (5).
When
... Equation (4)
When
... Equation (5)

混合気体の正規化エンタルピξは、エンタルピの基準値h、h(h>h)を用いて無次元化された、以下の式(6)により表される。
・・・式(6)
また、エンタルピhの簡略化された保存方程式は、以下の式(7)により表される。
・・・式(7)
The normalized enthalpy ξ h of the mixed gas is represented by the following equation (6), which is dimensionless using the enthalpy reference values h l and h h (h l > h h ).
... Equation (6)
Further, the simplified conservative equation of enthalpy h is expressed by the following equation (7).
... Equation (7)

このとき、混合気体の正規化エンタルピξの最大値をξh,max、最小値をξh,minとすると、混合気体の正規化エンタルピξは、以下の式(8)に示す範囲で定義される。
ξ h,min ≦ξ h ≦ξ h,max ・・・式(8)
これにより、混合気体の正規化エンタルピξは、以下の式(9)および式(10)の制限が設けられる。
ξ h ≦ξ h,min のときξ h =ξ h,min ・・・式(9)
ξ h ≧ξ h,max のときξ h =ξ h,max ・・・式(10)
At this time, assuming that the maximum value of the normalized enthalpy ξ h of the mixed gas is ξ h, max and the minimum value is ξ h, min , the normalized enthalpy ξ h of the mixed gas is within the range shown in the following equation (8). Defined.
ξ h, min ≤ ξ h ≤ ξ h, max ・ ・ ・ Equation (8)
As a result, the normalized enthalpy ξ h of the mixed gas is limited to the following equations (9) and (10).
When ξ h ≤ ξ h, min ξ h = ξ h, min ・ ・ ・ Equation (9)
When ξ h ≧ ξ h, max ξ h = ξ h, max ・ ・ ・ Equation (10)

燃料中の炭素割合ξは、混合気中の燃料の質量分率ξと燃料中の炭素Cの質量分率Zとの比として、以下の式(11)により表される。
・・・式(11)
また、燃料中の炭素割合Zの保存方程式は、以下の式(12)により表される。
・・・式(12)
The carbon ratio ξ c in the fuel is expressed by the following formula (11) as the ratio of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture to the mass fraction Z c of the carbon C in the fuel.
... Equation (11)
Further, the conservation equation of the carbon ratio Z c in the fuel is expressed by the following equation (12).
... Equation (12)

このとき、燃料の組成によって決まる燃料中の炭素割合ξの最大値をξc,max、最小値をξc,minとすると、燃料中の炭素割合ξは以下の式(13)に示す範囲で定義される。
ξ c,min ≦ξ c ≦ξ c,max ・・・式(13)
これにより、燃料中の炭素割合ξは、以下の式(14)および式(15)の制限が設けられる。
ξ c ≦ξ c,min のときξ c =ξ c,min ・・・式(14)
ξ c ≧ξ c,max のときξ c =ξ c,max ・・・式(15)
At this time, assuming that the maximum value of the carbon ratio ξ c in the fuel determined by the composition of the fuel is ξ c, max and the minimum value is ξ c, min , the carbon ratio ξ c in the fuel is shown in the following equation (13). Defined in range.
ξ c, min ≤ ξ c ≤ ξ c, max ... Equation (13)
As a result, the carbon ratio ξ c in the fuel is limited by the following equations (14) and (15).
When ξ c ≤ ξ c, min ξ c = ξ c, min ・ ・ ・ Equation (14)
When ξ c ≥ ξ c, max ξ c = ξ c, max ... Equation (15)

酸化剤中の酸素の割合ξは、酸化剤である酸素と窒素の質量分率の和であるZ+Z(=1−ξ)と、酸素の質量分率Zとの比として、以下の式(16)により表される。
・・・式(16)
また、酸素の質量分率Zの保存方程式は、以下の式(17)により表される。
・・・式(17)
Percentage xi] o of oxygen in the oxidizing agent, as the ratio of the the sum of the mass fraction of oxygen and nitrogen as an oxidant Z O + Z N (= 1 -ξ), and the mass fraction Z O oxygen, It is expressed by the following equation (16).
... Equation (16)
Further, conservation equations of the oxygen mass fraction Z O is expressed by the following equation (17).
... Equation (17)

このとき、燃料の組成によって決まる酸化剤中の酸素割合ξの最大値をξO,max、最小値をξO,minとすると、酸化剤中の酸素の割合ξは以下の式(18)に示す範囲で定義される。
ξ o,min ≦ξ o ≦ξ o,max ・・・式(18)
これにより、酸化剤中の酸素割合ξは、以下の式(19)および式(20)の制限が設けられる。
ξ o ≦ξ o,min のときξ o =ξ o,min ・・・式(19)
ξ o ≧ξ o,max のときξ o =ξ o,max ・・・式(20)
At this time, assuming that the maximum value of the oxygen ratio ξ O in the oxidant determined by the fuel composition is ξ O, max and the minimum value is ξ O, min , the oxygen ratio ξ o in the oxidant is given by the following equation (18). ) Is defined.
ξ o, min ≤ ξ o ≤ ξ o, max ... Equation (18)
As a result, the oxygen ratio ξ o in the oxidizing agent is limited by the following formulas (19) and (20).
When ξ o ≤ ξ o, min ξ o = ξ o, min ... Equation (19)
When ξ o ≧ ξ o, max ξ o = ξ o, max ・ ・ ・ Equation (20)

なお、式(2)、式(7)、式(12)および式(17)における、μは粘性係数を、σは各化学種の拡散係数が等しいと仮定した場合のシュミット数を、Prはプラントル数をそれぞれ表している。 In equations (2), (7), (12) and (17), μ is the viscosity coefficient, and σ Z is the Schmidt number assuming that the diffusion coefficients of each chemical species are equal. Represents the Prandtl number.

次に、保存スカラー量組合せ設定部62は、保存スカラー量設定部61で設定された複数の保存スカラー量のうち、所定の数の保存スカラー量の値による任意の組み合わせを設定するためのものである。本実施形態では、水素HとメタンCHとからなる、異なる組成の燃料が複数の燃料供給口から流入し、また、これらの各組成が時間変化する断熱燃焼場を仮定している。そこで、燃料の各化学組成に基づいて設定された混合気中の燃料の質量分率ξと、燃料中の炭素割合ξとを用いる。 Next, the storage scalar amount combination setting unit 62 is for setting an arbitrary combination according to a predetermined number of storage scalar amount values among the plurality of storage scalar amounts set by the storage scalar amount setting unit 61. is there. In this embodiment, consisting of hydrogen H 2 and methane CH 4 Prefecture, fuel of a different composition to flow from the plurality of fuel supply ports, also each of these compositions is assumed adiabatic combustion field time varying. Therefore, the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the carbon ratio ξ c in the fuel, which are set based on each chemical composition of the fuel, are used.

また、保存スカラー量組合せ設定部62において、本実施形態における設定された保存スカラー量の任意の組み合わせは、燃焼条件の範囲内で想定される式(3)、式(8)、式(13)および式(18)により表される保存スカラー量の値の範囲内で設定される。例えば、図2に示すように、燃焼場と使用される燃料および酸化剤の種類を設定することで、想定される混合気中の燃料の質量分率ξの値の範囲aからaが設定される。 Further, in the storage scalar amount combination setting unit 62, any combination of the storage scalar amounts set in the present embodiment may be the equations (3), (8), and (13) assumed within the range of the combustion conditions. And, it is set within the range of the value of the storage scalar amount represented by the equation (18). For example, as shown in FIG. 2, by setting the fuel and the type of oxidizing agent used and the combustion field, it is a n the range a 1 of the value of the mass fraction ξ of the fuel in air mixture that is assumed Set.

よって、本実施形態における保存スカラー量組合せ設定部62は、図3に示すように、燃焼条件の範囲内で想定される混合気中の燃料の質量分率ξの値aからaを適当な間隔に分割するとともに、その燃焼条件の範囲内で想定される燃料中の炭素割合ξの値AからAを適当な間隔に分割することで任意の組み合わせを設定している。 Therefore, saving scalar combination setting section 62 in the present embodiment, as shown in FIG. 3, suitably a a n from the value a 1 mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture are contemplated within the scope of the combustion conditions with divided into such interval is set to any combination by dividing the value a 1 of the carbon percentage xi] c in the fuel to be contemplated within the scope of the combustion conditions of a m to the appropriate intervals.

なお、保存スカラー量の組み合わせは、数学的に同値である複数の組み合わせ方が可能であり、理論的には解析結果への影響はない。また、2種類の保存スカラー量の組み合わせに限定されるものではなく、3つ以上の保存スカラー量を組み合わせてもよい。 It should be noted that the combination of the stored scalar amounts can be a plurality of combinations having mathematically equivalent values, and theoretically, there is no effect on the analysis result. Further, the combination of two types of storage scalar amounts is not limited, and three or more storage scalar amounts may be combined.

化学反応条件取得部63は、保存スカラー量組合せ設定部62により設定された保存スカラー量の各組み合わせにおける化学反応条件を数値解析により取得するものである。 The chemical reaction condition acquisition unit 63 acquires the chemical reaction conditions for each combination of the storage scalar amounts set by the storage scalar amount combination setting unit 62 by numerical analysis.

本実施形態では、前記保存スカラー量組合せ設定部62により設定された混合気中の燃料の質量分率ξの値aからaと燃料中の炭素割合ξの値AからAとの組み合わせに対して、式(1)〜式(21)に基づき、無次元反応計算を行うことにより、化学反応条件である熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度を取得する。 In this embodiment, the value from the A 1 A m carbon ratio xi] c of the storage scalar combination setting section 62 a n and fuel from the values a 1 mass fraction of the fuel in the air-fuel mixture which is set xi] by By performing a dimensionless reaction calculation based on the formulas (1) to (21) for the combination of, the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass combustion rate, which are the chemical reaction conditions, are obtained.

そして、データベース作成部64は、前記化学反応条件取得部63により取得された各組み合わせにおける化学反応条件である熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度を記憶手段4の化学反応条件データベース42に記憶させるものである。 Then, the database creation unit 64 stores the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass combustion rate, which are the chemical reaction conditions in each combination acquired by the chemical reaction condition acquisition unit 63, in the chemical reaction condition database 42 of the storage means 4. It is something that is memorized by.

次に、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7は、保存スカラー量の保存方程式、式(2)、式(7)、式(12)および式(17)を用いて、瞬時・局所保存スカラー量を数値解析により取得するものである。 Next, the instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7 uses the conservation equation of the preserved scalar amount, equation (2), equation (7), equation (12) and equation (17) to generate the instantaneous / locally preserved scalar amount. Is obtained by numerical analysis.

本実施形態では、燃料中の質量分率ξの保存方程式である式(2)と、燃料中の炭素割合ξの保存運動方程式である式(12)とを連成して、その数値解を求めることにより、瞬時かつ局所の燃料中の質量分率ξおよび瞬時かつ局所の燃料中の炭素割合ξを取得するようになっている。 In the present embodiment, the equation (2) is a conservation equations of mass fraction xi] in the fuel, the equation (12) is stored equation of motion for the carbon fraction xi] c in the fuel and form continuous and its numerical solution By obtaining the above, the mass fraction ξ in the instantaneous and local fuel and the carbon ratio ξ c in the instantaneous and local fuel are obtained.

次に、瞬時・局所化学反応条件算出手段8は、前記化学反応条件データベース42に記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー量を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出するものである。 Next, the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 calculates the instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database 42 and the instantaneous / locally preserved scalar amount. ..

例えば、図4に示すように、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7により取得された瞬時かつ局所の燃料の質量分率ξおよび瞬時かつ局所の燃料中の炭素割合ξの組み合わせが(a,A)であった場合、その組み合わせ(a,A)に近傍する化学反応条件データベース42に記憶された燃料の質量分率ξと燃料中の炭素割合ξの4つの組み合わせ(a,A)、(a,Az+1)、(ay+1,A)、(ay+1,Az+1)における化学反応条件を取得し、その4つの組み合わせと瞬時・局所の組み合わせとの差分等から瞬時・局所化学反応条件を算出するようになっている。 For example, as shown in FIG. 4, the combination of the instantaneous and local mass fraction ξ of the fuel acquired by the instantaneous and locally preserved scalar amount acquisition means 7 and the carbon ratio ξ c in the instantaneous and local fuel is (ax ). , a case was x), the combination (a x, 4 one combination of carbon percentage xi] c chemical reaction conditions mass fraction xi] and in the fuel of the fuel stored in the database 42 to the vicinity of the a x) (a Obtain the chemical reaction conditions in ( y , Az ), ( ay , Az + 1 ), ( ay + 1 , Az ), ( ay + 1 , Az + 1 ), and the difference between the four combinations and the instantaneous / local combination. The instantaneous and local chemical reaction conditions are calculated from the above.

これにより、化学反応条件、例えば、温度、密度および質量分率は、瞬時かつ局所の燃料の質量分率ξおよび瞬時かつ局所の燃料中の炭素割合ξの関数として、以下の式(21)により表される。
,
,
・・・式(21)
Thus, the chemical reaction conditions, such as temperature, density and mass fraction, are a function of the instantaneous and local mass fraction ξ of the fuel and the instantaneous and local carbon ratio ξ c in the fuel, according to equation (21) below. Represented by.
,
,
... Equation (21)

なお、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7により取得された瞬時・局所保存スカラー量に対する瞬時・局所化学反応条件の算出方法は上述した方法に限定されるものではなく、例えば、取得された瞬時・局所保存スカラー量に最も近い保存スカラー量の組み合わせにおける化学反応条件を瞬時・局所化学条件としてもよい。 The method for calculating the instantaneous / local chemical reaction conditions for the instantaneous / locally preserved scalar amount acquired by the instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7 is not limited to the above-mentioned method, and for example, the acquired instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means. The chemical reaction condition in the combination of the stored scalar amount closest to the locally stored scalar amount may be the instantaneous / local chemical condition.

また、本実施形態における化学反応条件データベース作成手段6、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7および瞬時・局所化学反応条件算出手段8は、特許文献1に記載の発明における、化学反応条件データベース作成手段、瞬時・局所保存スカラー変数取得手段および瞬時・局所化学反応条件算出手段と基本的に同じプログラムコードが適用できるため、特許文献1に記載の発明の汎用性を継承することができる。 Further, the chemical reaction condition database creation means 6, the instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7, and the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 in the present embodiment are the chemical reaction condition database creation means in the invention described in Patent Document 1. Since basically the same program code can be applied to the instantaneous / locally preserved scalar variable acquisition means and the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means, the versatility of the invention described in Patent Document 1 can be inherited.

次に、瞬時・局所物性値算出手段9は、燃焼反応の非平衡状態を表す指標スカラー量の保存方程式および前記瞬時・局所化学反応条件を用いて瞬時・局所物性値を算出するものである。以下、指標スカラー量について説明する。 Next, the instantaneous / local physical property value calculating means 9 calculates the instantaneous / local physical property value using the conservation equation of the index scalar amount representing the non-equilibrium state of the combustion reaction and the instantaneous / local chemical reaction condition. The index scalar amount will be described below.

指標スカラー量とは、燃焼反応の非平衡状態を表すものである。本実施形態におけるスカラー量は、図5に示すように、火炎の状態を指標スカラー量Gと表し、予混合火炎の火炎面の位置をG=G=0.5として、G>Gを既燃気体側、G<Gを未燃気体側と定義して燃焼反応の非平衡状態を表している。このとき指標スカラー量Gは、以下の式(22)により表される。
・・・式(22)
ここで、Tは未燃の気体温度を表し、Tは既燃の気体温度を表す。
The index scalar amount represents the non-equilibrium state of the combustion reaction. As shown in FIG. 5, the scalar amount in the present embodiment represents the state of the flame as the index scalar amount G, the position of the flame surface of the premixed flame is G = G 0 = 0.5, and G> G 0 . The burnt gas side and G <G 0 are defined as the unburned gas side to represent the non-equilibrium state of the combustion reaction. At this time, the index scalar amount G is expressed by the following equation (22).
... Equation (22)
Here, T u represents the gas temperature of the unburned, T b represents a gas temperature of burned.

また、予混合火炎面G=Gの移動現象を表現する方程式はG方程式として、以下の式(23)により表される。
・・・式(23)
ここで、ρは未燃気体の密度、Sは予混合火炎面が燃焼反応による予混合火炎の消費によって未燃側から既燃側へ移動する速度、いわゆる層流燃焼速度を表す。また、式(23)の左辺第2項は予混合気の流動による火炎面の移流現象を表し、右辺は予混合燃焼により火炎が層流燃焼速度Sで移動する火炎伝播現象を表している。
Further, the equation expressing the movement phenomenon of the premixed flame surface G = G 0 is expressed by the following equation (23) as the G equation.
... Equation (23)
Here, [rho u is the density of the non燃気body, S L is the speed of moving from the non-燃側to already燃側premixed flame front by the consumption of premixed flame by combustion reaction, represents a so-called laminar burning velocity. Also, the left side second term of equation (23) represents the advection phenomena of the flame front by the flow of the premixed gas, the right side represents the flame propagation phenomenon flame by premixed combustion is moved in a laminar flow combustion speed S L ..

ただし、このモデルでは予混合火炎はG=Gの非常に薄い領域にのみ存在し、火炎厚みは非常に薄いと定義したモデルであるが、実際の火炎は数ミリメートルオーダーの厚さを持っている。よって、本実施形態では、指標スカラー量Gの保存方程式として、火炎厚みを考慮した以下の式(24)を用いる。
・・・式(24)
ここで、Cは定圧比熱である。また、層流燃焼速度Sの代わりにSという物理量を用いる。このSは火炎厚み中に分布を持つ局所燃焼速度と呼ばれる物理量であり、以下の式(25)により表される。
・・・式(25)
However, in this model, the premixed flame exists only in the very thin region of G = G 0 , and the flame thickness is defined as very thin, but the actual flame has a thickness on the order of several millimeters. There is. Therefore, in the present embodiment, the following equation (24) in consideration of the flame thickness is used as the preservation equation of the index scalar quantity G.
... formula (24)
Here, C p is the constant pressure specific heat. Further, using the physical quantity that S * instead of laminar burning velocity S L. This S * is a physical quantity called the local combustion rate having a distribution in the flame thickness, and is expressed by the following equation (25).
... Equation (25)

また、指標スカラー量Gの一次近似モデルは、異なる空燃比、予熱温度に対しても精度よく成り立つ、以下の式(26)により表される。
・・・式(26)
Further, the first-order approximation model of the index scalar quantity G is represented by the following equation (26), which holds accurately for different air-fuel ratios and preheating temperatures.
... Equation (26)

また、後述する実施例2において解析対象としたガスタービン燃焼器では拡散燃焼と予混合燃焼が入り混じっている状態である。よって、式(1)〜式(21)による拡散燃焼モデルと、式(22)〜式(26)による予混合燃焼モデルとを、各々単独で扱うことは適切ではない。そこで本実施形態では、2つのモデルを組み合わせた部分予混合燃焼モデルを用いる。 Further, in the gas turbine combustor analyzed in Example 2 described later, diffusion combustion and premixed combustion are mixed. Therefore, it is not appropriate to handle the diffusion combustion model according to the equations (1) to (21) and the premixed combustion model according to the equations (22) to (26) independently. Therefore, in this embodiment, a partial premixed combustion model that combines the two models is used.

予混合燃焼モデルの指標スカラー量GについてはG=0を未燃、G=1を既燃のパラメータとし、拡散燃焼モデルについてはξとξの分布に対して温度、密度、化学種αの質量分率を化学反応条件データベース42から与えることになる。また、未燃、既燃の両状態の結合を最も単純な指標スカラー量Gによる線形結合として仮定する。 Index scalar unburnt the G = 0 for G premixed combustion model, the G = 1 and the parameters of the burned, the temperature with respect to the distribution of the diffusion combustion model xi] and xi] c, density, chemical species α The mass fraction will be given from the chemical reaction condition database 42. Further, it is assumed that the combination of both unburned and burned states is a linear combination with the simplest index scalar quantity G.

以上より、2つのモデルを組み合わせることにより式(21)に表した質量分率、温度、密度については、指標スカラー量Gの調和平均として、以下の式(27)〜式(29)により表される。
・・・式(27)
・・・式(28)
・・・式(29)
From the above, the mass fraction, temperature, and density expressed in the equation (21) by combining the two models are expressed by the following equations (27) to (29) as the harmonic mean of the index scalar amount G. To.
... Equation (27)
... Equation (28)
... Equation (29)

本実施形態における瞬時・局所物性値算出手段9は、指標スカラー量Gの保存方程式である式(24)を数値解析により瞬時かつ局所の指標スカラー量Gを取得するとともに、代数式(27)〜(29)に当該瞬時・局所の指標スカラー量Gと、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7により取得された瞬時・局所保存スカラー量とを代入することにより、瞬時かつ局所の温度、密度およびその他の必要な物性値を算出する。 The instantaneous / local physical property value calculation means 9 in the present embodiment obtains the instantaneous and local index scalar quantity G by numerical analysis of the equation (24) which is a preservation equation of the index scalar quantity G, and algebraic expressions (27) to ( By substituting the instantaneous / local index scalar amount G and the instantaneous / locally preserved scalar amount acquired by the instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7 into 29), the instantaneous and local temperature, density and other factors can be obtained. Calculate the required physical property values.

なお、指標スカラー量は、上述したG方程式に基づくものに限定されるものではなく、例えば、本願の発明者により報告された文献(大島伸行,”An extensional formulation for a diffusive solution of the level-set equation by considering a relation to the scalar conservation equation”、Mechanical Engineering Letters、Vol. 2 (2016) p. 16-00220、[online]、 平成28年4月21日、一般社団法人日本機械学会、[平成28年5月2日検索]、<URL:https://www.jstage.jst.go.jp/article/mel/2/0/2_16-00220/_article>)に示す、いわゆるレベルセット法等を用いてもよい。 The index scalar amount is not limited to the one based on the above-mentioned G equation. For example, the document reported by the inventor of the present application (Nobuyuki Oshima, "An extensional formulation for a diffusive solution of the level-set") equation by considering a relation to the scalar conservation equation ”, Mechanical Engineering Letters, Vol. 2 (2016) p. 16-00220, [online], April 21, 2016, Japan Mechanical Society, [2016 Search on May 2, 2014], <URL: https://www.jstage.jst.go.jp/article/mel/2/0/2_16-00220/_article>) using the so-called level set method, etc. You may.

次に、燃焼流れ解析手段10は、前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析するものである。 Next, the combustion flow analysis means 10 numerically analyzes the flow of the fuel, the oxidizing agent, and the combustion mixture with combustion using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values. ..

本実施形態においては、流れを解析する解析方法として、ラージ・エディ・シミュレーション(Large eddy simulation:LES)法が用いられている。このラージ・エディ・シミュレーション法は、乱流渦を空間的に平均化する処理を施した乱流モデルによるシミュレーションである。 In the present embodiment, a large eddy simulation (LES) method is used as an analysis method for analyzing the flow. This large eddy simulation method is a simulation using a turbulent flow model that has been subjected to a process of spatially averaging turbulent vortices.

低Mach数近似を適用した非圧縮性流体の質量保存則、運動量保存則に空間フィルタを施したラージ・エディ・シミュレーション法の基礎方程式は以下の式(30)および式(31)により表される。
・・・式(30)
・・・式(31)
ここで、ρは混合気の密度、xは直交座標系における空間座標(i=1,2,3)、uは混合気のi方向の速度、μは粘性係数である。また、上付の−は空間平均、上付の〜は空間ファブル平均(「密度重み平均」ともいう)を表し、添字のSGSは空間平均以下の変動影響を表すサブグリッドスケールモデル定数を表している。
The basic equations of the large eddy simulation method in which the law of conservation of mass and the law of conservation of momentum are spatially filtered by applying the low Mach number approximation are expressed by the following equations (30) and (31). ..
... formula (30)
... Equation (31)
Here, [rho is the density of the mixture, the x i spatial coordinates in the orthogonal coordinate system (i = 1, 2, 3), the u i rate of the i direction of the mixture, mu is the viscosity coefficient. The superscript-represents the spatial average, the superficial ~ represents the spatial fable average (also called "density weight average"), and the subscript SGS represents the subgrid scale model constant that represents the effect of fluctuations below the spatial average. There is.

また、SGS乱流モデルには標準Smagorinskyモデルを用いた。このモデルは、次の式(32)のように表される。
,
,
・・・式(32)
ここで、CはSmagorinsky定数、Δは空間フィルタ幅(解析格子幅)、上付の〜を有するSijはひずみテンソルである。
A standard Smagorinsky model was used as the SGS turbulence model. This model is expressed by the following equation (32).
,
,
... Equation (32)
Here, C s is the Smagorinsky constant, Δ is the spatial filter width (analyzed lattice width), and S ij having the above-mentioned ~ is a strain tensor.

また、燃料と酸化剤の混合分率を表すZの保存方程式である式(2)は、以下の式(33)のように表される。
・・・式(33)
ここで、σZ,SGSは乱流シュミット数に相当するパラメータである。
Further, the equation (2), which is a conservation equation of Z representing the mixed fraction of the fuel and the oxidizing agent, is expressed as the following equation (33).
... formula (33)
Here, σ Z and SGS are parameters corresponding to the turbulent Schmidt number.

さらに、燃料に含まれる炭素Cの質量分率Zの保存方程式である式(12)は、以下の式(34)のように表される。
・・・式(34)
Further, the equation (12), which is a conservation equation of the mass fraction Z C of carbon C contained in the fuel, is expressed as the following equation (34).
... Equation (34)

また、指標スカラー量Gの保存方程式である式(24)は、以下の式(35)のように表される。
・・・式(35)
ここで、σは指標スカラー量Gを無次元温度とみなした場合、乱流プラントル数に相当するパラメータである。
Further, the equation (24), which is a conservation equation of the index scalar quantity G, is expressed as the following equation (35).
... Equation (35)
Here, σ G is a parameter corresponding to the number of turbulent Prandtl numbers when the index scalar quantity G is regarded as a dimensionless temperature.

また、本実施形態では、上記の式(35)の右辺第二項は、勾配拡散モデルである以下の式(36)を用いた。
・・・式(36)
Further, in the present embodiment, the following equation (36), which is a gradient diffusion model, is used for the second term on the right side of the above equation (35).
... Equation (36)

さらに、上記の式(35)の右辺第一項の局所乱流燃焼速度Sは、上記の式(26)に基づき、以下の式(37)により表される。
・・・式(37)
つまり、式(37)は、SGS乱流燃焼速度SSGSに対してLESの空間フィルタリングにより粗視化されたGS火炎面の面積において、SGSの変形により実際の火炎面積が増大する影響を考慮するためのものである。
Further, the local turbulent combustion rate S * of the first term on the right side of the above equation (35) is expressed by the following equation (37) based on the above equation (26).
... Equation (37)
That is, the equation (37) considers the effect of increasing the actual flame area due to the deformation of SGS on the area of the GS flame surface coarse-grained by the spatial filtering of LES with respect to the SGS turbulent combustion rate S SGS . Is for.

本実施形態では、SGS乱流燃焼速度モデルとして、以下の式(38)および式(39)を用いた。
,
・・・式(38)
,
・・・式(39)
また、SSGS/Sの制限値は、以下の式(40)のように表される。
・・・式(40)
In this embodiment, the following equations (38) and (39) are used as the SGS turbulent combustion rate model.
,
... Equation (38)
,
... Equation (39)
Further, the limit value of S SGS / S L is expressed by the following equation (40).
... formula (40)

また、指標スカラー量Gを考慮した質量分率、温度、密度を表す上記の式(27)〜式(29)については、以下の式(41)〜式(43)のように表される。
・・・式(41)
・・・式(42)
・・・式(43)
Further, the above equations (27) to (29) expressing the mass fraction, temperature, and density in consideration of the index scalar amount G are expressed as the following equations (41) to (43).
... Equation (41)
... Equation (42)
... Equation (43)

本実施形態における燃焼流れ解析手段10は、上記式(30)〜式(43)をラージ・エディ・シミュレーション法に基づき数値解析することにより、流れの計算を行っている。 The combustion flow analysis means 10 in the present embodiment calculates the flow by numerically analyzing the above equations (30) to (43) based on the large eddy simulation method.

なお、燃焼流れ解析手段10は、ラージ・エディ・シミュレーション法によるものに限定されるものではなく、モデルを用いずに直接ナビエストークス方程式を解くDNS法(Direct Numerical Simulation)や、レイノルズ平均モデルといった他のモデルを用いる方法等から適宜選択することができる。 The combustion flow analysis means 10 is not limited to the large eddy simulation method, and the DNS method (Direct Numerical Simulation) that directly solves the Navier-Stokes equation without using a model, the Reynolds average model, and the like are used. It can be appropriately selected from the method using the model of.

次に、本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラム1aにおける各構成の作用および燃焼流れ数値解析方法について、図6に示す各構成の機能を示す機能ブロック図および図7に示すフローチャートを用いて説明する。 Next, the operation of each configuration and the combustion flow numerical analysis method in the combustion flow numerical analysis program 1a of the present embodiment will be described with reference to a functional block diagram showing the functions of each configuration shown in FIG. 6 and a flowchart shown in FIG. 7. ..

図7に示すように、まず、化学反応条件データベース作成手段6が、保存スカラー量を用いて化学反応条件を数値解析により取得し、記憶手段4内に記憶させて化学反応条件データベース42を作成する(ステップS1)。以下、図8を用いて、本実施形態における化学反応条件データベース作成手段6による化学反応条件データベース42の作成手順を説明する。 As shown in FIG. 7, first, the chemical reaction condition database creating means 6 acquires the chemical reaction conditions by numerical analysis using the stored scalar amount, stores them in the storage means 4, and creates the chemical reaction condition database 42. (Step S1). Hereinafter, the procedure for creating the chemical reaction condition database 42 by the chemical reaction condition database creating means 6 in the present embodiment will be described with reference to FIG.

化学反応条件データベース作成手段6の保存スカラー量設定部61は、式(1)に示す混合気中の燃料の質量分率ξ、式(6)に示す混合気体の正規化エンタルピξ、式(11)に示す燃料中の炭素の割合ξ、式(16)に示す酸化剤中の酸素の割合ξの4種類の保存スカラー量を設定する(ステップS11)。本実施形態では、この4種類の保存スカラー量を設定することにより、一般的な火炎の構造を表すことができる。 The storage scalar amount setting unit 61 of the chemical reaction condition database creating means 6 has a mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture represented by the formula (1), a normalized enthalpy ξ h of the mixed gas represented by the formula (6), and a formula ( Four types of storage scalar amounts are set: the ratio of carbon in the fuel shown in 11) ξ c and the ratio of oxygen in the oxidizing agent shown in the formula (16) ξ o (step S11). In the present embodiment, a general flame structure can be represented by setting these four types of storage scalar amounts.

次に、保存スカラー量組合せ設定部62が、混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素の割合ξの2種類の保存スカラー量の値の任意の組み合わせを設定する(ステップS12)。具体的には、図3に示すように、燃焼条件に基づき混合気中の燃料の質量分率ξの値として想定しうるaからaを分割するとともに、燃料中の炭素の割合ξの値として想定しうるAからAを分割し、それらの組み合わせとして設定する。 Next, the storage scalar amount combination setting unit 62 sets an arbitrary combination of two types of storage scalar amount values, that is, the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the carbon ratio ξ c in the fuel (step S12). ). Specifically, as shown in FIG. 3, with dividing the a n from conceivable a 1 as the value of the mass fraction xi] of the fuel in the air-fuel mixture based on the combustion conditions, the proportion of carbon in the fuel xi] c Am is divided from A 1 that can be assumed as the value of, and set as a combination thereof.

次に、化学反応条件取得部63が、保存スカラー量組合せ設定部62により設定された混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素の割合ξの各組み合わせにおける熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度を含む化学反応条件を、式(1)〜式(21)に基づき、無次元反応計算を行うことにより取得する(ステップS13)。本実施形態では、化学反応条件として熱平衡状態の密度および質量燃焼速度を含めたため、瞬時・局所物性値算出手段9における指標スカラー量Gの計算が可能となる。 Next, the chemical reaction condition acquisition unit 63 determines the temperature of the thermal equilibrium state in each combination of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the ratio of carbon in the fuel ξ c set by the storage scalar amount combination setting unit 62. The chemical reaction conditions including the density of the thermal equilibrium state and the mass combustion rate are obtained by performing a dimensionless reaction calculation based on the formulas (1) to (21) (step S13). In the present embodiment, since the density and mass combustion rate in the thermal equilibrium state are included as the chemical reaction conditions, the index scalar amount G in the instantaneous / local physical property value calculation means 9 can be calculated.

そして、データベース作成部64が、前記化学反応条件取得部63により取得された各組み合わせにおける化学反応条件を記憶手段4の化学反応条件データベース42に記憶させる(ステップS14)。混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素の割合ξの各組み合わせにおける化学反応条件データベース42の作成が終了したら、次のステップへと進む(return)。 Then, the database creation unit 64 stores the chemical reaction conditions in each combination acquired by the chemical reaction condition acquisition unit 63 in the chemical reaction condition database 42 of the storage means 4 (step S14). After creating the chemical reaction condition database 42 is completed in each combination of the percentage xi] c carbon mass fraction xi] and in the fuel of the fuel in the air-fuel mixture, the process proceeds to the next step (return).

瞬時・局所保存スカラー量取得手段7は、混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素の割合ξの保存方程式を連成して、その数値解を求めることにより、瞬時かつ局所の混合気中の燃料の質量分率ξおよび瞬時かつ局所の燃料中の炭素の割合ξを取得する(ステップS2)。 The instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7 instantly and locally obtains a numerical solution by coupling the conservation equations of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the ratio of carbon in the fuel ξ c. Obtain the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the instantaneous and local proportion of carbon in the fuel ξ c (step S2).

そして、瞬時・局所化学反応条件算出手段8が、図6に示すように、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7から瞬時かつ局所の混合気中の燃料の質量分率ξおよび瞬時かつ局所の燃料中の炭素の割合ξを取得するとともに、それらの瞬時・局所保存スカラー量の組み合わせに近傍する混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素の割合ξの組み合わせの化学反応条件を化学反応条件データベース42から読み出し、読み出された化学反応条件に基づいて瞬時・局所化学反応条件を算出する(ステップS3)。 Then, as shown in FIG. 6, the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 instantly and locally stores the scalar amount acquisition means 7 and the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the instantaneous and local fuel. The chemical reaction conditions of the combination of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the carbon ratio ξ c in the fuel, which are close to the combination of the instantaneous and locally preserved scalar amounts, while obtaining the carbon ratio ξ c in the fuel. Is read from the chemical reaction condition database 42, and the instantaneous / local chemical reaction conditions are calculated based on the read chemical reaction conditions (step S3).

次に、瞬時・局所物性値算出手段9が、指標スカラー量Gの保存方程式を数値解析することにより瞬時かつ局所の指標スカラー量Gを算出する。そして、本実施形態では、当該瞬時・局所の指標スカラー量Gと、瞬時・局所保存スカラー量取得手段7により取得された瞬時・局所保存スカラー量とを式(41)〜(43)に代入することにより、瞬時かつ局所の温度、密度およびその他の必要な物性値を算出する(ステップS4)。このように、本実施形態では、瞬時・局所物性値を指標スカラー量Gの時間発展微分方程式によって解くことができる。 Next, the instantaneous / local physical property value calculating means 9 calculates the instantaneous and local index scalar amount G by numerically analyzing the preservation equation of the index scalar amount G. Then, in the present embodiment, the instantaneous / local index scalar amount G and the instantaneous / locally preserved scalar amount acquired by the instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 7 are substituted into the equations (41) to (43). Thereby, the instantaneous and local temperature, density and other necessary physical property values are calculated (step S4). As described above, in the present embodiment, the instantaneous / local physical property value can be solved by the time evolution differential equation of the index scalar quantity G.

そして、燃焼流れ解析手段10では、図6に示すように、瞬時・局所化学反応条件算出手段8から瞬時・局所化学反応条件を取得するとともに、瞬時・局所物性値算出手段9から瞬時・局所物性値を取得する。そして、取得された瞬時・局所化学反応条件および瞬時・局所物性値と、上記式(30)〜式(43)とを用いて、ラージ・エディ・シミュレーション法により、燃焼を伴う流れを数値解析する(ステップS5)。 Then, as shown in FIG. 6, the combustion flow analysis means 10 acquires the instantaneous / local chemical reaction conditions from the instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 8 and the instantaneous / local physical properties from the instantaneous / local physical property value calculation means 9. Get the value. Then, using the acquired instantaneous / local chemical reaction conditions and instantaneous / local physical property values and the above equations (30) to (43), the flow accompanied by combustion is numerically analyzed by the large eddy simulation method. (Step S5).

以上のような本実施形態の燃焼流れ数値解析プログラム1aおよび燃焼流れ数値解析方法によれば、以下のような効果を得ることができる。
1.指標スカラー量Gを用いることにより、燃焼化学反応が非平衡状態の燃焼流れの数値解析を行うことができる。
2.理論値や実験に基づく物性値を使用することなく、指標スカラー量Gの時間発展微分方程式を解くことで物性値を算出することができるため、理論値の入力や実験が不要となり、様々な解析対象への応用が容易になる。
3.特許文献1に記載の発明における汎用性を継承でき、計算負荷やデータ量の増加を抑制することができる。
According to the combustion flow numerical analysis program 1a and the combustion flow numerical analysis method of the present embodiment as described above, the following effects can be obtained.
1. 1. By using the index scalar quantity G, it is possible to perform numerical analysis of the combustion flow in which the combustion chemical reaction is in a non-equilibrium state.
2. 2. Since the physical property value can be calculated by solving the time evolution differential equation of the index scalar quantity G without using the theoretical value or the physical property value based on the experiment, it is not necessary to input the theoretical value or experiment, and various analyzes are performed. It becomes easy to apply to the object.
3. 3. The versatility of the invention described in Patent Document 1 can be inherited, and an increase in calculation load and data amount can be suppressed.

次に、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法の具体的な実施例について説明する。なお、本発明の技術的範囲は、以下の実施例によって示される特徴に限定されるものではない。 Next, specific examples of the combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention will be described. The technical scope of the present invention is not limited to the features shown in the following examples.

実施例1では、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法の実機燃焼器への適用前に、燃料をメタンと水素の混合気とする層流燃焼についてテスト解析を行った。この数値解析は、燃焼流れ数値解析プログラムを実装したコードの動作確認を主な目的として行われた。以下、本実施例1における数値解析条件および数値解析結果について説明する。 In Example 1, a test analysis was performed on laminar combustion using a mixture of methane and hydrogen as a fuel before applying the combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention to an actual combustor. The main purpose of this numerical analysis was to confirm the operation of the code that implements the combustion flow numerical analysis program. Hereinafter, the numerical analysis conditions and the numerical analysis results in the first embodiment will be described.

<解析対象>
解析領域は、図9に示すように、x軸方向が400mm、y軸方向が100mm、z軸方向が5mmの矩形板状の燃焼流動場である。この解析領域は、解析領域全域が六面体立方格子からなる複数個の解析格子により形成されている。前記解析格子の総要素数は10000であり、その総接点数は20402である。
<Analysis target>
As shown in FIG. 9, the analysis region is a rectangular plate-shaped combustion flow field having a x-axis direction of 400 mm, a y-axis direction of 100 mm, and a z-axis direction of 5 mm. The entire analysis region of this analysis region is formed by a plurality of analysis grids composed of hexahedral cubic lattices. The total number of elements of the analysis grid is 10,000, and the total number of contacts is 20402.

<境界条件>
次に、燃焼流動場の境界条件について説明する。図9に示すように、燃焼流動場の一端面は、燃料および酸化剤が流入する流入面(Inlet)であり、この流入面の対称位置にある他端面は流出面(Outlet)である。また、その他の4面は熱および流れの出入りのない断熱壁面である。
<Boundary condition>
Next, the boundary conditions of the combustion flow field will be described. As shown in FIG. 9, one end surface of the combustion flow field is an inflow surface (Inlet) into which fuel and an oxidant flow in, and the other end surface at a symmetrical position of the inflow surface is an outlet surface (Outlet). In addition, the other four surfaces are heat insulating walls that do not allow heat and flow to enter and exit.

流入面は、複数の流入口から異なる組成のガスが供給される系とするため、下から順に、純燃料を供給するInlet_Fuel、酸化剤として乾き空気を供給するInlet_Air1、燃料と空気とを予め混合させた予混合気を供給するInlet_Premixedおよび乾き空気を供給するInlet_Air2から構成されている。 Since the inflow surface is a system in which gases having different compositions are supplied from multiple inlets, Inlet_Fuel that supplies pure fuel, Inlet_Air1 that supplies dry air as an oxidant, and fuel and air are mixed in advance in order from the bottom. It is composed of Inlet_Premixed that supplies the premixed air mixture and Inlet_Air2 that supplies the dry air.

本実施例1では、下記の表1に示すように、3つの流入条件に基づき数値解析を行った。
(表1)
In Example 1, as shown in Table 1 below, numerical analysis was performed based on three inflow conditions.
(Table 1)

具体的には、以下の通りである。なお、供給されるガスの構成を示すパーセンテージ(%)は、質量流量比である。
ケースAは、Inlet_Fuelから燃料として水素100%、Inlet_Premixedから燃料としてのメタンと酸化剤としての乾き空気との量論比での既燃予混合気として水素100%、Inlet_Air1およびInlet_Air2から酸化剤として乾き空気100%をそれぞれ供給した。
ケースBは、Inlet_Fuelから燃料としてメタン100%、Inlet_Premixedから燃料としてのメタンと酸化剤としての乾き空気との量論比での既燃予混合気としてメタン100%、Inlet_Air1およびInlet_Air2から酸化剤として乾き空気100%をそれぞれ供給した。
ケースCは、Inlet_Fuelから燃料としてメタン50%と水素50%、Inlet_Premixedから燃料としてのメタンと酸化剤としての乾き空気との量論比での既燃予混合気としてメタン100%、Inlet_Air1およびInlet_Air2から酸化剤として乾き空気100%をそれぞれ供給した。
Specifically, it is as follows. The percentage (%) indicating the composition of the supplied gas is the mass flow rate ratio.
Case A, 100% hydrogen as a fuel from Inlet_Fuel, 100% hydrogen as the burned premixed gas in stoichiometric ratio of dry air as methane and oxidant as fuel from Inlet_Premixed, dry as an oxidizing agent from Inlet_Air1 and Inlet_Air2 100% of air was supplied respectively.
Dry Case B, methane to 100% as the fuel from Inlet_Fuel methane 100% as burned premixed gas in stoichiometric ratio of dry air as methane and oxidant as fuel from Inlet_Premixed, as an oxidizing agent from Inlet_Air1 and Inlet_Air2 100% of air was supplied respectively.
Case C is methane 50% hydrogen 50% as the fuel from Inlet_Fuel methane 100% as burned premixed gas in stoichiometric ratio of dry air as methane and oxidant as fuel from Inlet_Premixed, from Inlet_Air1 and Inlet_Air2 100% dry air was supplied as an oxidizing agent.

各ケースにおいて、式(11)に基づき算出される燃料中の炭素割合ξは、ケースAにおいてξ=0、ケースBにおいてξ=0.75であり、ケースCにおいてξ =0.375である。つまり、ξ=0のとき水素の質量割合が100%を表し、ξ=0.75のときメタンの質量割合が100%を表している。 In each case, the carbon ratio ξ c in the fuel calculated based on the formula (11) is ξ c = 0 in case A, ξ c = 0.75 in case B, and ξ c = 0. In case C. It is 375 . That is, when ξ c = 0, the mass ratio of hydrogen represents 100%, and when ξ c = 0.75, the mass ratio of methane represents 100%.

よって、燃料中の炭素割合ξの範囲は、式(13)に基づくと0≦ξ≦0.75である。また、燃料中の炭素割合ξは、ξc,min =0、ξc,max =0.75であることから、式(14)および式(15)に基づき、0>ξのときξ=0、ξ>0.75のときξ=0.75との制限を設ける。 Therefore, the range of the carbon ratio ξ c in the fuel is 0 ≦ ξ c ≦ 0.75 based on the equation (13). Further, since the carbon ratio ξ c in the fuel is ξ c, min = 0, ξ c, max = 0.75, based on the equations (14) and (15), when 0> ξ c , ξ When c = 0 and ξ c > 0.75, a limit of ξ c = 0.75 is set.

断熱壁面は、熱および流れの出入りのない条件とするため、熱勾配および速度勾配のない、いわゆる滑り条件とした。 Since the heat-insulated wall surface is in a condition where heat and flow do not enter and exit, it is set as a so-called slip condition where there is no heat gradient and velocity gradient.

周囲条件は、下記の表2に示すように、周囲気圧が1.82MPa、燃料温度が298.15K、酸化剤温度が723.15K(450℃)と設定した。ガス密度は作成した化学反応データベースにより算出される近似値を与えた。理想気体を仮定すると標準状態(1気圧、25℃)でのガス密度に換算すると、ケースAの燃料が水素100%の場合に0.089kg/mである。同様に、ケースBの燃料がメタン100%の場合に0.721kg/mである。さらに、ケースCの燃料が水素50%およびメタン50%の場合に0.145kg/mである。そして、酸化剤は1.282kg/mである。
(表2)
As shown in Table 2 below, the ambient conditions were set to an ambient air pressure of 1.82 MPa, a fuel temperature of 298.15 K, and an oxidant temperature of 723.15 K (450 ° C.). The gas density was given an approximate value calculated by the prepared chemical reaction database. Assume an ideal gas and the standard state (1 atm, 25 ° C.) when converted to a gas density at the fuel case A is 0.089 kg / m 3 in the case of 100% hydrogen. Similarly, when the fuel of Case B is 100% methane, it is 0.721 kg / m 3 . Further, when the fuel of Case C is 50% hydrogen and 50% methane, it is 0.145 kg / m 3 . And the oxidizing agent is 1.282 kg / m 3 .
(Table 2)

<化学反応条件データベースの作成>
次に、本実施例1における化学反応条件データベースの作成について説明する。
<Creation of chemical reaction condition database>
Next, the creation of the chemical reaction condition database in Example 1 will be described.

まず、熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度、および層流燃焼速度を混合分率ξと炭素割合ξに対する関数として数値解析により算出する。具体的には、化学反応計算ソフトCHEMKIN-PRO15112[18](Reaction Design(現ANSYS, Inc.)社製)を用いて、式(1)〜式(21)に示す化学平衡モデルの無次元の詳細反応計算を行った。このとき、化学反応における各種の物性値はアメリカガス協会(GRI)によって公開されているデータベースGRI-MECH3.0を使用した。 First, the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the laminar combustion rate are calculated by numerical analysis as functions for the mixing fraction ξ and the carbon ratio ξ c . Specifically, using the chemical reaction calculation software CHEMKIN-PRO15112 [18] (manufactured by Reaction Design (currently ANSYS, Inc.)), the dimensionless chemical equilibrium model shown in equations (1) to (21) is dimensionless. A detailed reaction calculation was performed. At this time, the database GRI-MECH3.0 published by the American Gas Association (GRI) was used for various physical property values in the chemical reaction.

上述のとおり、ξの最小値はξc,min=0であり、ξの最大値はξc,max=0.75である。よって、温度、密度、および層流燃焼速度の算出は、ξの値が0.05刻みで0から0.75まで、それぞれ16本作成した。前記層流燃焼速度については、数値解析を簡便にするため、層流燃焼速度Sと未燃密度ρとの積である質量燃焼流速として数値解析を行った。 As described above, the minimum value of xi] c is ξ c, min = 0, the maximum value of the xi] c is ξ c, max = 0.75. Therefore, temperature, density, and the calculation of the laminar burning velocity, the value of xi] c 0 in 0.05 increments until 0.75, were prepared, respectively 16. For the laminar flow combustion speed, for ease of numerical analysis was carried out numerical analysis as the mass combustion velocity is the product of the laminar flow combustion speed S L and the non燃密degree [rho u.

熱平衡状態の温度、熱平衡状態の密度および質量燃焼速度の数値解析結果を図10〜図16に示す。なお、図13および図14に示すように、密度についてはその逆数である比体積で記載した。 Numerical analysis results of the temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass combustion rate are shown in FIGS. 10 to 16. As shown in FIGS. 13 and 14, the density is described by the reciprocal of the specific volume.

本実施例1における化学反応条件データベースは、ξおよびξの関数とする多項式に近似して後述する燃焼流れの数値解析を行うコンピュータ1の記憶部に記憶させた。各テーブルの間の値は、補間するデータを選択して算出を行う。例えば、ξ=0.33の場合の値は、ξ=0.30とξ=0.35のデータを選択して線形補間される。 The chemical reaction condition database in Example 1 is stored in the storage unit of the computer 1 that performs numerical analysis of the combustion flow, which will be described later, by approximating the polynomial as a function of ξ and ξ c . The values between the tables are calculated by selecting the data to be interpolated. For example, the value when ξ c = 0.33 is linearly interpolated by selecting the data of ξ c = 0.30 and ξ c = 0.35.

<燃焼流れの解析モデル>
燃焼モデルの数値解析には有限体積法を用いた。また、本実施例1における流れの解析は、低流速の層流であることを考慮して、乱流モデルは用いずに流れ場の支配方程式を直接計算するDNS法による数値解析を行った。
<Analysis model of combustion flow>
The finite volume method was used for the numerical analysis of the combustion model. Further, in the flow analysis in the first embodiment, considering that the laminar flow has a low flow velocity, a numerical analysis was performed by the DNS method for directly calculating the governing equation of the flow field without using the turbulent flow model.

時間刻みを5.0×10−4sとし、時間積分法はEuler陰解法を用いた。運動方程式と保存スカラー量の保存方程式の移流項離散化スキームには1次風上差分を用いた。また、運動量と圧力のカップリングにはSIMPLE法、圧力解法にはICGC法を使用した。 The time step was 5.0 × 10 -4 s, and the Euler implicit method was used as the time integration method. The first-order windward difference was used for the advection term discretization scheme of the equation of motion and the conservative equation of the conserved scalar quantity. The SIMPLE method was used for the coupling of momentum and pressure, and the ICGC method was used for the pressure solution method.

<燃焼流れ解析に用いられる物性値>
保存スカラー量ZおよびZの保存方程式の計算の際に用いる層流Schmidt数σはσ=1.0とした。また、指標スカラー量Gの保存方程式の計算の際に用いる層流Prandtl数相当のパラメータσはσ=1.0とした。
<Physical property values used for combustion flow analysis>
The laminar Schmidt number σ z used in the calculation of the conservative equations of the conserved scalar quantities Z and Z c was set to σ z = 1.0. The parameter σ G corresponding to the laminar Prandtl number used in the calculation of the conservation equation of the index scalar amount G was set to σ G = 1.0.

粘性係数については、温度依存性を考慮するため、簡略化輸送係数モデルである以下の式(44)を用いた。
・・・式(44)
ここで、A=2.58×10−5kg/m/s、γ=0.7、T=298Kである。
For the viscosity coefficient, the following equation (44), which is a simplified transport coefficient model, was used in order to consider the temperature dependence.
... formula (44)
Here, A = 2.58 × 10-5 kg / m / s, γ = 0.7, and T 0 = 298K.

<燃焼流れ解析に用いられたコンピュータ>
本実施例1では、数値解析用のコンピュータとして九州大学情報基盤研究開発センターのHITACHI HA8000-tc/HT210を用いた。当該コンピュータは、2並列計算可能な計算機であり、本実施例1において計算時間は5000ステップ当たり約1時間であった。
<Computer used for combustion flow analysis>
In Example 1, HITACHI HA8000-tc / HT210 of Kyushu University Information Infrastructure Research and Development Center was used as a computer for numerical analysis. The computer is a computer capable of performing two parallel calculations, and in the first embodiment, the calculation time was about 1 hour per 5000 steps.

<燃焼流れの解析結果>
以下に示す解析結果は、ステップ数50000における瞬時値である。また、図19,図21,図24,図28に示すZ軸断面のプロット取得位置は、図17に示すように、流れ方向に対する中央位置であるx=200mmのy=0mmからy=100mmの位置である。
<Combustion flow analysis results>
The analysis result shown below is an instantaneous value in the number of steps 50,000. Further, as shown in FIG. 17, the plot acquisition position of the Z-axis cross section shown in FIGS. 19, 21, 24, and 28 is from y = 0 mm to y = 100 mm, which is the central position with respect to the flow direction. The position.

解析結果として温度分布について説明する。図18は、解析で得られた温度分布である。以下、各分布図においては、色のグラデーションで各値の大小を示している。 The temperature distribution will be described as an analysis result. FIG. 18 shows the temperature distribution obtained by the analysis. Hereinafter, in each distribution map, the magnitude of each value is indicated by a color gradation.

図18に示す燃料が水素100%であるケースAと、燃料がメタン100%であるケースBとを比較すると、ケースAはケースBよりも温度の高い領域が広い傾向を示している。つまり、ケースAはケースBよりも既燃領域が広いことを示しており、図23および図24に示された指標スカラー量Gの数値解析結果とも一致する。 Comparing Case A in which the fuel shown in FIG. 18 is 100% hydrogen and Case B in which the fuel is 100% methane, Case A tends to have a wider temperature region than Case B. That is, Case A shows that the burned region is wider than Case B, which is consistent with the numerical analysis result of the index scalar amount G shown in FIGS. 23 and 24.

次に、燃料が水素50%、メタン50%を混合したケースCは、水素100%のケースAと比較すると概ね同じ分布傾向を示しており、メタン100%のケースBと比較すると温度が高い領域は広くなった。 Next, Case C, in which the fuel is a mixture of 50% hydrogen and 50% methane, shows almost the same distribution tendency as that of Case A of 100% hydrogen, and is in a region where the temperature is higher than that of Case B of 100% methane. Has become wider.

図19に示すZ軸断面におけるY方向の温度分布を見ると、水素100%のケースAと水素50%、メタン50%を混合したケースCは、ここでも概ね同じ分布傾向を示しており、メタン100%のケースBよりも温度は高かった。 Looking at the temperature distribution in the Y direction in the Z-axis cross section shown in FIG. 19, Case A in which 100% hydrogen and 50% in hydrogen and 50% in methane are mixed show the same distribution tendency here as well, and methane. The temperature was higher than in 100% case B.

次に、図18および図19に示した温度分布と、混合気中の燃料の質量分率ξおよび燃料中の炭素割合ξとの関係について考察する。 Next, the relationship between the temperature distributions shown in FIGS. 18 and 19 and the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture and the carbon ratio ξ c in the fuel will be considered.

図20および図21に示すように、混合気中の燃料の質量分率ξの分布は、ケースA、ケースBおよびケースCの間で大きな差は見られなかった。一方、図11に示すように、熱平衡状態の温度の最大値はξ=0からξ=0.75まで大きな差がないように見えるが、化学反応条件データベースの図12に示すように、拡大図から熱平衡状態の温度を示す混合分率ξの値は、燃料中の炭素割合ξによって異なることがわかる。よって、温度分布に関しては燃料中の炭素割合ξの値によって差が生じると考えられる。 As shown in FIGS. 20 and 21, the distribution of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture did not show a large difference between Case A, Case B and Case C. On the other hand, as shown in FIG. 11, the maximum value of the temperature of the thermal equilibrium state appears to be no significant difference from xi] c = 0 to xi] c = 0.75, as shown in Figure 12 of the chemical reaction condition database, From the enlarged view, it can be seen that the value of the mixed fraction ξ, which indicates the temperature in the thermal equilibrium state, differs depending on the carbon ratio ξ c in the fuel. Therefore, it is considered that the difference is caused by the value of the carbon percentage xi] c in the fuel with respect to the temperature distribution.

そこで、燃料中の炭素割合ξの分布に関して考察した。図22の上段および中段に示すように、燃料が水素100%のケースAでは、全域でξ=0となっている。一方、燃料がメタン100%であるケースBでは、全域でξ=0.75となっている。また、図22の下段に示すように、燃料が水素50%、メタン50%を混合したケースCでは、Inlet_PremixedとInlet_Fuelから供給された炭素Cの質量分率Z が拡散されていく様子が見て取れる。 Therefore, we discussed with respect to the distribution of the carbon percentage xi] c in the fuel. As shown in the upper and middle stages of FIG. 22 , in Case A in which the fuel is 100% hydrogen, ξ c = 0 in the entire area. On the other hand, in case B in which the fuel is 100% methane, ξ c = 0.75 in the entire area. Further, as shown in the lower part of FIG. 22, in Case C in which 50% hydrogen and 50% methane are mixed as fuel, it can be seen that the mass fraction Z C of carbon C supplied from Inlet_Premixed and Inlet_Fuel is diffused. ..

化学反応条件データベースの図12に示すように、同じ混合気中の燃料の質量分率ξの値を示す場所でも、水素を多く含み燃料中の炭素割合ξの値が小さい場合の方が、断熱火炎の温度は高いということがわかる。 As shown in FIG. 12 of the chemical reaction condition database, even in a place where the value of the mass fraction ξ of the fuel in the same air-fuel mixture is shown, the case where the value of the carbon ratio ξ c in the fuel contains a large amount of hydrogen is smaller. It can be seen that the temperature of the adiabatic flame is high.

次に、図23および図24は指標スカラー量Gの分布を示したものである。 Next, FIGS. 23 and 24 show the distribution of the index scalar quantity G.

図24に示すように、解析領域の中央位置において水素100%のケースAは、メタン100%のケースBよりも指標スカラー量Gの値が大きな値を示しており、既燃領域が広いことが分かる。 As shown in FIG. 24, in the case A of 100% hydrogen at the central position of the analysis region, the value of the index scalar amount G is larger than that of the case B of 100% methane, and the burned region is wide. I understand.

また、メタン100%のケースBと、水素50%、メタン50%のケースCとでは、y=70mm付近まではケースBの方が指標スカラー量Gの分布は大きいが、y=70mm以上の部分ではケースCの方が指標スカラー量Gの分布の方が大きい結果となっている。この指標スカラー量Gの差が、上述したとおり、各ケースにおける既燃領域の分布および温度分布の差を生じさせていると考えられる。 Further, in case B of 100% methane and case C of 50% hydrogen and 50% methane, the distribution of the index scalar amount G is larger in case B up to around y = 70 mm, but the portion where y = 70 mm or more. In case C, the distribution of the index scalar quantity G is larger. As described above, it is considered that the difference in the index scalar amount G causes the difference in the distribution of the burned region and the temperature distribution in each case.

また、図25に示すように、流入面付近の指標スカラー量Gの拡大分布図を見ると、各ケースの違いがよくわかる。例えば、水素100%のケースAでは質量燃焼速度ρが大きいため、メタン100%のケースBよりも可燃の長さが短くなっている。また、水素50%、メタン50%のケースCでは、ケースAと同様に、火炎の長さが短くなっている。これらのことから火炎の長さは水素割合が影響することがわかる。 Further, as shown in FIG. 25, the difference in each case can be clearly seen by looking at the enlarged distribution map of the index scalar amount G near the inflow surface. For example, since the mass burn rate in hydrogen 100% of the case A ρ u S L is large, the length of the combustible is shorter than methane 100% of the case B. Further, in the case C of 50% hydrogen and 50% methane, the length of the flame is shortened as in the case A. From these facts, it can be seen that the hydrogen ratio affects the length of the flame.

図26はz軸断面の質量燃焼速度ρの分布を示したものである。化学反応条件データベースの図15および図16に示すように、質量燃焼速度ρの大きさは、ξ=0と、ξ=0.75との間では大きな差があるものの、ξ値の変動幅が小さい場合に質量燃焼速度ρの値は大きく変化しない。実際、図26において水素100%のケースAとメタン100%のケースBとを比較すると、質量燃焼速度ρの値に大きな差が見られる。また、水素50%、メタン50%のケースCの質量燃焼速度ρの分布は、メタン100%であるケースBよりも大きい。 Figure 26 shows the distribution of the mass burn rate [rho u S L of z-axis slice. As shown in FIGS. 15 and 16 of the chemical reaction condition database, the size of the mass burn rate [rho u S L is the xi] c = 0, although there is a large difference between the ξ c = 0.75, ξ the value of the mass burn rate [rho u S L when the fluctuation width of the c value is small does not change significantly. In fact, comparing the 100% hydrogen cases A and methane 100% of the case B in FIG. 26, a large difference is seen in the value of the mass burning rate ρ u S L. The hydrogen 50%, the distribution of the mass burn rate [rho u S L methane 50% of the case C is greater than the case B is methane 100%.

よって、各ケース間の質量燃焼速度ρの差が、指標スカラー量Gの分布の差を生じさせているものと考えられる。また、水素100%のケースAはメタン100%であるケースBよりも質量燃焼速度ρの値の分布が大きいため既燃領域が大きく、指標スカラー量Gの分布も大きくなったと考えられる。 Therefore, the difference in the mass burn rate [rho u S L between the case, is considered to have caused a difference in the distribution of indices scalar quantity G. It is also contemplated that the case A of 100% hydrogen increases already燃領zone because a large distribution of values of the mass burn rate [rho u S L than case B is 100% methane, becomes greater distribution of indices scalar quantity G ..

次に、密度分布ついて考察する。図13および図14に示すように、水素100%のξ=0の方が比体積は大きい。つまり、密度は小さいことを示している。よって、燃料中の炭素割合ξの値が小さくなり水素の割合が大きくなるほど密度は小さくなる。 Next, the density distribution will be considered. As shown in FIGS. 13 and 14, the specific volume of 100% hydrogen ξ c = 0 is larger. That is, it indicates that the density is low. Thus, the density as the ratio of the hydrogen value is reduced carbon percentage xi] c in the fuel is increased is reduced.

実際に、図27および図28に示すように、水素100%のケースAの方がメタン100%であるケースBよりも全体的に密度分布が小さい値を示している。同様に、水素50%、メタン50%のケースCでも、メタン100%であるケースBよりも密度が小さく、水素を導入した影響が見て取れる。また、水素を導入したことで既燃領域が増えたことも密度低下の原因と考えられる。 In fact, as shown in FIGS. 27 and 28, the case A with 100% hydrogen shows a value having a smaller overall density distribution than the case B with 100% methane. Similarly, in Case C with 50% hydrogen and 50% methane, the density is lower than in Case B with 100% methane, and the effect of introducing hydrogen can be seen. In addition, the increase in the burned area due to the introduction of hydrogen is also considered to be the cause of the decrease in density.

以上より、本実施例1では、燃料をメタンおよび水素混合気とする層流燃焼について数値解析を行い、指標スカラー量Gを用いた燃焼流れ数値解析プログラムを実装したコードを実行することにより、燃焼化学反応が非平衡状態の燃焼流れを数値解析できることを示すことができた。 Based on the above, in the first embodiment, numerical analysis is performed on laminar flow combustion using a mixture of methane and hydrogen as fuel, and combustion is performed by executing a code implementing a combustion flow numerical analysis program using the index scalar amount G. It was shown that the chemical reaction can numerically analyze the combustion flow in the non-equilibrium state.

実施例2では、実施例1において動作確認を行った燃焼流れ数値解析プログラムを実装したコードを用いて、実機燃焼流動場を対象とした燃焼流れの数値解析を行った。 In the second embodiment, the numerical analysis of the combustion flow for the actual combustion flow field was performed by using the code implementing the combustion flow numerical analysis program whose operation was confirmed in the first embodiment.

<解析対象>
本実施例2では、本出願人である川崎重工業株式会社が開発した18MW級のガスタービンL20Aに搭載されている燃焼器を解析対象とした。図29に示すように、当該燃焼器の解析領域は、燃焼器のスワラー(旋回器)から、逆流を防ぐために燃焼器後端部に追加したバッファ領域までとした。
<Analysis target>
In the second embodiment, the combustor mounted on the 18 MW class gas turbine L20A developed by the applicant, Kawasaki Heavy Industries, Ltd., was analyzed. As shown in FIG. 29, the analysis area of the combustor is from the swirler (swivel) of the combustor to the buffer area added to the rear end of the combustor to prevent backflow.

解析格子は燃焼器内部全域で六面体構造格子を用いた。解析格子の総要素数は10025904であり、その接点数は10181403である。 As the analytical grid, a hexahedral structured grid was used throughout the interior of the combustor. The total number of elements in the analysis grid is 10025904, and the number of contacts is 10181403.

<境界条件>
本実施例2では、空燃比として実働条件のAFR値約42を用いた。また、下記の表3に示すように、運転条件も実動条件に合わせて、燃料温度を25℃、空気温度を450℃、空気流入圧力を約1.8MPaとした。
(表3)
<Boundary condition>
In Example 2, an AFR value of about 42 under actual working conditions was used as the air-fuel ratio. Further, as shown in Table 3 below, the operating conditions were set to 25 ° C. for the fuel temperature, 450 ° C. for the air temperature, and about 1.8 MPa for the air inflow pressure according to the actual operating conditions.
(Table 3)

また、図30に示すように、INLET-MAIN、INLET-PRIMARYからは予混合気が流入し、INLET-PILOTからは火炎を安定にするために燃料が流入する。また、INLET-LINERからは空気が流入する。INLET-SBからは条件によって異なる燃料濃度や組成の予混合気が流入する。いずれの流入境界からも未燃の気体が流入するため指標スカラー量GについてはG=0としている。実際の燃焼器では、燃料と空気を別々の流路から燃焼室の手前で流入させて、燃焼室までの流路内で混合させるため、計算領域においてもそのための流入口を設けているが、今回の解析においては実験における空気の流入口から流量を調整し予混合気として流入させている。また、それぞれの気体を一様流と仮定した。 Further, as shown in FIG. 30, the premixture flows in from INLET-MAIN and INLET-PRIMARY, and fuel flows in from INLET-PILOT to stabilize the flame. In addition, air flows in from INLET-LINER. A premixture with different fuel concentrations and compositions flows in from INLET-SB depending on the conditions. Since unburned gas flows in from any of the inflow boundaries, the index scalar amount G is set to G = 0. In an actual combustor, fuel and air flow in from separate flow paths in front of the combustion chamber and are mixed in the flow path to the combustion chamber, so an inflow port for that purpose is also provided in the calculation area. In this analysis, the flow rate is adjusted from the air inlet in the experiment and flows in as a premixture. Moreover, each gas was assumed to be a uniform flow.

本実施例2では、メタンのみを燃焼させるケース1とメタンと水素を燃料として燃焼させるケース2についてそれぞれ解析を行い、比較を行った。 In the second embodiment, case 1 in which only methane is burned and case 2 in which methane and hydrogen are burned as fuel are analyzed and compared.

下記の表4および表5に示すように、ケース1およびケース2は、共にINLET-MAIN、INLET-PRIMARYから燃料にメタン100%(ξ=0.75)の予混合気を供給した。また、INLET-PILOTからも純燃料としてメタン100%を供給した。さらに、ケース1では、INLET-SBからメタン100%のみを供給した。一方、ケース2では火炎が十分に発達した段階において質量分率でメタン44%と水素56%(ξ=0.33)で混合した燃料に切り替えて供給した。なお、酸化剤としては乾き空気(酸素:窒素=21%:79%)を用いた。
(表4)
(表5)
As shown in Tables 4 and 5 below, Case 1 and Case 2 both supplied a premixture of 100% methane (ξ C = 0.75) to the fuel from INLET-MAIN and INLET-PRIMARY. In addition, 100% methane was supplied as pure fuel from INLET-PILOT. Further, in Case 1, only 100% methane was supplied from INLET-SB. On the other hand, in Case 2, when the flame was sufficiently developed, the fuel was switched to a fuel mixed with 44% methane and 56% hydrogen (ξ C = 0.33) in terms of mass fraction and supplied. As the oxidizing agent, dry air (oxygen: nitrogen = 21%: 79%) was used.
(Table 4)
(Table 5)

着火の手順は、全領域で未燃であるG=0とし2000ステップの間に流れ場を形成(コールドフロー)した後、流入条件INLET-MAINにおいて既燃であるG=1を与えて着火を行った。その後、12000ステップで十分に火炎が発達したと判断し、INLET-MAINの指標スカラー量Gの値を未燃のG=0にした。引き続き、火炎を安定させるためにステップ数を進め、水素を導入するケース2では、19000ステップ目で流入境界INLET-SBにおいてξ=0.33とし、水素を供給する条件とした。 The ignition procedure is as follows: G = 0, which is unburned in the entire area, a flow field is formed (cold flow) between 2000 steps, and then G = 1, which is burned under the inflow condition INLET-MAIN, is given to ignite. went. After that, it was judged that the flame was sufficiently developed in 12000 steps, and the value of the index scalar amount G of INLET-MAIN was set to unburned G = 0. Subsequently, the number of steps was advanced to stabilize the flame, and in case 2 in which hydrogen was introduced, ξ C = 0.33 was set at the inflow boundary INLET-SB at the 19000th step, which was a condition for supplying hydrogen.

<化学反応条件データベース>
本実施例2における化学反応条件データベースは、実施例1において作成したものと同一のものを使用した。
<Chemical reaction condition database>
As the chemical reaction condition database in Example 2, the same database as that prepared in Example 1 was used.

<計算条件>
本実施例2では、複数の保存スカラー量に基づく燃焼計算と、ラージ・エディ・シミュレーション法とを組み合わせた非定常乱流数値解析手法を用いた。また、本実施例2では有限体積法を用いた。
<Calculation conditions>
In the second embodiment, a unsteady turbulent numerical analysis method combining a combustion calculation based on a plurality of conserved scalar quantities and a large eddy simulation method was used. Moreover, in this Example 2, the finite volume method was used.

ラージ・エディ・シミュレーション法のサブグリットスケールモデルには式(32)の標準Smagorinskyモデルを採用し、Smagorinsky定数はC=0.1とした。燃料と酸化剤の混合分率を表すZの保存方程式および燃料に含まれる炭素Cの質量分率Zの保存方程式を計算する際に用いる層流Schmidt数σはσ=0.7、乱流Schmidt数σZ,SGSはσZ,SGS=0.5とした。また、指標スカラー量Gの保存方程式の計算の際に用いる乱流Prandtl数相当のパラメータσG,SGSはσG,SGS=0.25とした。粘性係数は温度依存性を考慮するために、下記の式(45)で表されるSutherlandの式を用いた。
・・・式(45)
The standard Smagorinsky model of Eq. (32) was adopted as the subgrit scale model of the large eddy simulation method, and the Smagorinsky constant was set to C s = 0.1. The laminar Schmidt number σ Z used when calculating the conservative equation of Z representing the mixed fraction of fuel and oxidizer and the conservative equation of mass fraction Z C of carbon C contained in the fuel is σ Z = 0.7, The turbulent Schmidt number σ Z, SGS was set to σ Z, SGS = 0.5. Further, the parameters σ G and SGS corresponding to the number of turbulent Prandtl numbers used in the calculation of the conservation equation of the index scalar amount G were set to σ G and SGS = 0.25. In order to consider the temperature dependence of the viscosity coefficient, Sutherland's formula represented by the following formula (45) was used.
... formula (45)

また、各パラメータは、参照温度T=298.15K、参照粘性係数μ0=1.82×10−5kg/m/s、Sutherlandの係数C=110.4とした。時間積分法にはEuler陰解法を用い、保存方程式の移流項離散化スキームには2次精度中心差分法95%と1次風上差分法5%を線形結合したスキームを使用し、スカラーの保存方程式の移流項離散化スキームには2次精度中心差分を使用した。運動量と圧力のカップリングにはSIMPLE法、圧力開放としてICCG法を用いた。 The parameters were set to reference temperature T 0 = 298.15K, reference viscosity coefficient μ0 = 1.82 × 10-5 kg / m / s, and Sutherland coefficient C = 110.4. The Euler implicit method is used for the time integration method, and the scalar combination of the second-order accuracy center difference method 95% and the first-order upwind difference method 5% is used for the translocation term discretization scheme of the conservative equation. A quadratic precision center difference was used for the translocation term discretization scheme of the equation. The SIMPLE method was used for the coupling of momentum and pressure, and the ICCG method was used for pressure release.

<燃焼流れ解析に用いられたコンピュータ>
本実施例2では、実施例1と同様、数値解析用のコンピュータとして九州大学情報基盤研究開発センターのHITACHI HA8000-tc/HT210を用いた。また、本実施例2では、並列数は128であった。さらに、計算時間は1000ステップ当たり約6時間であった。
<Computer used for combustion flow analysis>
In Example 2, as in Example 1, HITACHI HA8000-tc / HT210 of the Information Infrastructure Research and Development Center of Kyushu University was used as a computer for numerical analysis. Further, in the second embodiment, the number of parallels was 128. Furthermore, the calculation time was about 6 hours per 1000 steps.

<燃焼流れの解析結果>
以下、解析結果を示す。図32には図31に示す燃焼器のz軸断面における温度分布の瞬時値を示し、図33には図31に示す燃焼器出口のx軸断面における温度分布の瞬時値を示す。ケース1およびケース2の両者とも、燃焼器の追い焚きバーナーにあたる境界INLET-SBより上流では燃焼器の中心部分に高温な領域が形成されており、壁面近傍では温度が低くなっていることがわかる。
<Combustion flow analysis results>
The analysis results are shown below. FIG. 32 shows the instantaneous value of the temperature distribution in the z-axis cross section of the combustor shown in FIG. 31, and FIG. 33 shows the instantaneous value of the temperature distribution in the x-axis cross section of the combustor outlet shown in FIG. 31. In both cases 1 and 2, it can be seen that a high temperature region is formed in the central part of the combustor upstream of the boundary INLET-SB, which is the reheating burner of the combustor, and the temperature is low near the wall surface. ..

一方、燃料にメタンのみを用いたケース1と、水素を導入したケース2では燃焼器の追い焚きバーナー(INLET-SB)より下流で温度分布が大きく異なっていた。 On the other hand, the temperature distributions of Case 1 in which only methane was used as fuel and Case 2 in which hydrogen was introduced were significantly different downstream from the reheating burner (INLET-SB) of the combustor.

図34は燃焼器z軸断面における質量燃焼速度ρの瞬時値分布である。メタンのみを燃料としたケース1と、燃料に水素を導入したケース2では追い焚きバーナー(INLET-SB)より下流で分布に大きな差が見受けられるが、追い焚きバーナー(INLET-SB)よりも上流の部分では分布に差は見られない。図35における燃料中の炭素割合ξの分布からわかるように、追い焚きバーナー(INLET-SB)よりも上流では水素が存在しないため、水素が存在する追い焚きバーナーより下流側でのみ質量燃焼速度ρに差が見られたと予想される。ケース1およびケース2ともに混合気中の燃料の質量分率ξの分布には差が見られないことから、これは水素を導入したことによる燃料中の炭素割合ξの分布の違いが影響していると考えられる。実際、化学反応条件データベースの図15と図16のグラフを参照すると、同じξ値を示す場所では水素を多く含みξ値が小さいほど質量燃焼速度ρが大きくなることがわかる。このことから水素を導入したことで追い焚きバーナー(INLET-SB)より下流の質量燃焼速度ρの値が大きく評価されたことが理解できる。 Figure 34 is an instantaneous value distribution of the mass burn rate [rho u S L in the combustor z-axis slice. There is a large difference in distribution downstream from the reheating burner (INLET-SB) between case 1 using only methane as fuel and case 2 using hydrogen as fuel, but upstream from the reheating burner (INLET-SB). There is no difference in the distribution in the part of. As it can be seen from the distribution of carbon percentage xi] c in the fuel in FIG. 35, reheating burner for (INLET-SB) there is no hydrogen in the upstream of the mass burning rate only on the downstream side of the reheating burner presence of hydrogen difference in ρ u S L is expected to be seen. Since there is no difference in the distribution of the mass fraction ξ of the fuel in the air-fuel mixture in both Case 1 and Case 2, this is due to the difference in the distribution of the carbon ratio ξ c in the fuel due to the introduction of hydrogen. It is thought that it is. In fact, referring to the graph of FIG. 15 and FIG. 16 of the chemical reaction conditions database, in the place indicated the same xi] values it can be seen that the higher the mass burn rate ρ u S L ξ c value includes a large amount of hydrogen is small becomes large. This can be seen that the value of the downstream mass burn rate [rho u S L from the fired burners follow by the introduction of hydrogen (INLET-SB) was significantly voted.

図14に示す化学反応条件データベースの質量燃焼速度ρおよび図34に示す燃焼器z軸断面における質量燃焼速度ρの瞬時値によると、水素を多く含みξ値が小さいほど質量燃焼速度ρが大きくなり、燃焼しやすいということがわかる。つまり、水素を供給したケース2では、追い焚きバーナー(INLET-SB)付近やその下流でξ値が小さくなり水素割合が増えたことで質量燃焼速度ρが大きくなり、燃焼しやすくなったことにより、図36に示すように、既燃の指標スカラー量Gの分布も大きくなったと考えられる。また、既燃のG分布が広がったことで温度が高い領域も広がったと思われる。 According to the instantaneous value of the mass burn rate [rho u S L in the combustor z-axis cross-section shown in the mass burn rate [rho u S L and 34 chemical reactions condition database shown in FIG. 14, as including a large amount of hydrogen xi] c value is smaller It can be seen that the mass combustion rate ρ u SL becomes large and it is easy to burn. That is, in Case 2 was fed hydrogen, reheating burner (INLET-SB) around and mass burn rate [rho u S L by the downstream in xi] c value is increased hydrogen ratio decreases increases, easily burn As a result, as shown in FIG. 36, it is considered that the distribution of the burned index scalar amount G has also increased. In addition, it is considered that the region where the temperature is high has expanded due to the expansion of the burned G distribution.

以上のように、燃焼流れ数値解析プログラムを装したコードを用いて、実機燃焼流動場を対象とした燃焼流れの数値解析を行うことができた。また、解析の結果、本第2実施例で対象とした18MW級のガスタービンL20Aに搭載されている燃焼器では、追い焚きバーナー(INLET-SB)から水素燃料を供給することにより、その下流において温度が高い領域が広がることがわかった。 As described above, it was possible to perform numerical analysis of the combustion flow for the actual combustion flow field by using the code disguised as the combustion flow numerical analysis program. In addition, as a result of the analysis, in the combustor mounted on the 18 MW class gas turbine L20A targeted in the second embodiment, hydrogen fuel is supplied from the reheating burner (INLET-SB) in the downstream thereof. It was found that the high temperature region spreads.

なお、本発明に係る燃焼流れ数値解析プログラムおよび燃焼流れ数値解析方法は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。数値解析により取り扱う燃料や酸化剤は水素やメタン、乾き空気に限定されるものではない。例えば、炭化水素系燃料は、メタンに限定されるものではなく、多重結合や環状構造を含むエチレン(C2H4)やシクロヘキサン(C6H12)、ベンゼン環系やガソリン等の高分子燃料であってもよい。また、燃料は、水素燃料や炭化水素系燃料に限定されるものではなく、メチルアルコール(CH3OH)など酸素元素Oを含む燃料や、アンモニア(NH3)や亜硫酸(SO2)などの硫黄元素Sや窒素元素Nを含む燃料であってもよい。さらに、燃料や酸化剤は、蒸気(水)や一酸化炭素、アルゴン等の不活性元素等が含まれていてもよい。 The combustion flow numerical analysis program and the combustion flow numerical analysis method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and can be changed as appropriate. The fuels and oxidants handled by numerical analysis are not limited to hydrogen, methane, and dry air. For example, hydrocarbon-based fuels are not limited to methane, but are polymer fuels such as ethylene (C 2 H 4 ) and cyclohexane (C 6 H 12 ) containing multiple bonds and cyclic structures, benzene rings, and gasoline. It may be. The fuel is not limited to hydrogen fuel and hydrocarbon fuel, but fuel containing oxygen element O such as methyl alcohol (CH 3 OH) and sulfur such as ammonia (NH 3 ) and sulfite (SO 2 ). It may be a fuel containing element S or nitrogen element N. Further, the fuel and the oxidizing agent may contain vapor (water), carbon monoxide, an inert element such as argon, and the like.

1 コンピュータ
1a 燃焼流れ数値解析プログラム
2 入力手段
3 表示手段
4 記憶手段
5 演算処理手段
6 化学反応条件データベース作成手段
7 瞬時・局所保存スカラー量取得手段
8 瞬時・局所化学反応条件算出手段
9 瞬時・局所物性値算出手段
10 燃焼流れ解析手段
41 プログラム記憶部
42 化学反応条件データベース
61 保存スカラー量設定部
62 保存スカラー量組合せ設定部
63 化学反応条件取得部
64 データベース作成部
1 Computer 1a Combustion flow numerical analysis program 2 Input means 3 Display means 4 Storage means 5 Arithmetic processing means 6 Chemical reaction condition database creation means 7 Instantaneous / locally preserved scalar amount acquisition means 8 Instantaneous / local chemical reaction condition calculation means 9 Instantaneous / local Physical property value calculation means 10 Combustion flow analysis means 41 Program storage unit 42 Chemical reaction condition database 61 Preserved scalar amount setting unit 62 Preserved scalar amount combination setting unit 63 Chemical reaction condition acquisition unit 64 Database creation unit

Claims (2)

水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析プログラムであって、
前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいた元素の質量分率および正規化エンタルピからなる保存スカラー量を設定する保存スカラー量設定部と、所定の数の前記保存スカラー量を変数とする組み合わせを設定する保存スカラー量組合せ設定部と、この保存スカラー量組合せ設定部により設定された前記保存スカラー量の各組合せに対する熱平衡状態における温度、熱平衡状態における密度および質量燃焼速度を含む化学反応条件を数値解析により取得する化学反応条件取得部と、前記化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させるデータベース作成部とを有する化学反応条件データベース作成手段と、
前記保存スカラー量の保存方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー量を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー量取得手段と、
前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー量を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出手段と、
燃焼反応の非平衡状態を未燃気体から既燃気体への変化率に基づく数値によって表すものであって、未燃気体側と既燃気体側とを分ける境界として火炎面位置を示す指標スカラー量の時間変動および空間分布を近似する微分方程式を数値解析することにより瞬時かつ局所の指標スカラー量を算出するとともに、指標スカラー量により線形結合した値として表される物性値に係る代数式に、算出された瞬時かつ局所の指標スカラー量および算出された前記瞬時・局所化学反応条件を代入して瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出手段と、
前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析手段としてコンピュータを機能させる燃焼流れ数値解析プログラム。
A combustion flow numerical analysis program that numerically analyzes the flow of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidizer with combustion.
A storage scalar amount setting unit for setting a storage scalar amount consisting of a mass fraction of elements and a normalized enthalpy based on each chemical composition in the fuel, the oxidizing agent, and a combustion mixture in which they are mixed, and a predetermined number of the above. The temperature in the thermal equilibrium state, the density in the thermal equilibrium state, and the mass combustion for each combination of the preserved scalar amount set by the preserved scalar amount combination setting unit for setting the combination with the preserved scalar amount as a variable. A chemical reaction condition database creation means having a chemical reaction condition acquisition unit for acquiring chemical reaction conditions including speed by numerical analysis and a database creation unit for storing the chemical reaction conditions in the chemical reaction condition database.
Instantaneous / locally preserved scalar quantity acquisition means for acquiring instantaneous / locally preserved scalar quantity by numerical analysis using the conservation equation of the preserved scalar quantity, and
Instantaneous / local chemical reaction condition calculation means for calculating instantaneous / local chemical reaction conditions using the chemical reaction conditions stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally preserved scalar amount, and
The non-equilibrium state of the combustion reaction is represented by a numerical value based on the rate of change from unburned gas to burned gas, and an index scalar amount indicating the flame plane position as a boundary separating the unburned gas side and the burned gas side. The instantaneous and local index scalar amount is calculated by numerically analyzing the differential equation that approximates the time variation and spatial distribution of, and is calculated as an algebra related to the physical property value expressed as a linearly combined value by the index scalar amount. Instantaneous and local index scalar amount and the calculated instantaneous and local chemical reaction conditions are substituted to calculate the instantaneous and local physical property values, and the instantaneous and local physical property value calculating means.
Numerical combustion flow analysis that makes a computer function as a combustion flow analysis means for numerically analyzing the flow of the fuel, the oxidant, and the combustion mixture with combustion using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values. program.
水素燃料および/または炭化水素系燃料と酸化剤との燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ数値解析方法であって、
前記燃料、前記酸化剤およびそれらを混合した燃焼混合気における各化学組成に基づいた元素の質量分率および正規化エンタルピからなる保存スカラー量を設定する保存スカラー量設定ステップと、所定の数の前記保存スカラー量を変数とする組み合わせを設定する保存スカラー量組合せ設定ステップと、この保存スカラー量組合せ設定ステップにより設定された前記保存スカラー量の各組合せに対する熱平衡状態における温度、熱平衡状態における密度および質量燃焼速度を含む化学反応条件を数値解析により取得する化学反応条件取得ステップと、前記化学反応条件を化学反応条件データベースに記憶させるデータベース作成ステップとを有する化学反応条件データベース作成ステップと、
前記保存スカラー量の保存方程式を用いて瞬時・局所保存スカラー量を数値解析により取得する瞬時・局所保存スカラー量取得ステップと、
前記化学反応条件データベースに記憶された化学反応条件および前記瞬時・局所保存スカラー量を用いて瞬時・局所化学反応条件を算出する瞬時・局所化学反応条件算出ステップと、
燃焼反応の非平衡状態を未燃気体から既燃気体への変化率に基づく数値によって表すものであって、未燃気体側と既燃気体側とを分ける境界として火炎面位置を示す指標スカラー量の時間変動および空間分布を近似する微分方程式を数値解析することにより瞬時かつ局所の指標スカラー量を算出するとともに、指標スカラー量により線形結合した値として表される物性値に係る代数式に、算出された瞬時かつ局所の指標スカラー量および算出された前記瞬時・局所化学反応条件を代入して瞬時・局所物性値を算出する瞬時・局所物性値算出ステップと、
前記瞬時・局所化学反応条件および前記瞬時・局所物性値を用いて前記燃料、前記酸化剤および前記燃焼混合気の燃焼を伴う流れを数値解析する燃焼流れ解析ステップと
を有する燃焼流れ数値解析方法。
A combustion flow numerical analysis method for numerically analyzing the flow of hydrogen fuel and / or hydrocarbon fuel and oxidant with combustion.
A storage scalar amount setting step for setting a storage scalar amount consisting of a mass fraction of elements and a normalized enthalpy based on each chemical composition in the fuel, the oxidizing agent, and a combustion mixture in which they are mixed, and a predetermined number of the above. The temperature in the thermal equilibrium state, the density and mass combustion in the thermal equilibrium state for each combination of the preserved scalar amount set by the preservation scalar amount combination setting step for setting the combination in which the preservation scalar amount is a variable and the preservation scalar amount combination setting step. A chemical reaction condition database creation step having a chemical reaction condition acquisition step for acquiring chemical reaction conditions including speed by numerical analysis and a database creation step for storing the chemical reaction conditions in the chemical reaction condition database, and a chemical reaction condition database creation step.
The instantaneous / locally preserved scalar quantity acquisition step of acquiring the instantaneous / locally preserved scalar quantity by numerical analysis using the conservation equation of the preserved scalar quantity, and
The instantaneous / local chemical reaction condition calculation step for calculating the instantaneous / local chemical reaction condition using the chemical reaction condition stored in the chemical reaction condition database and the instantaneous / locally preserved scalar amount, and
The non-equilibrium state of the combustion reaction is represented by a numerical value based on the rate of change from unburned gas to burned gas, and an index scalar amount indicating the flame plane position as a boundary separating the unburned gas side and the burned gas side. The instantaneous and local index scalar amount is calculated by numerically analyzing the differential equation that approximates the time variation and spatial distribution of, and is calculated as an algebra related to the physical property value expressed as a linearly combined value by the index scalar amount. The instantaneous / local physical property value calculation step for calculating the instantaneous / local physical property value by substituting the instantaneous and local index scalar amount and the calculated instantaneous / local chemical reaction condition , and
A combustion flow numerical analysis method including a combustion flow analysis step for numerically analyzing the flow of the fuel, the oxidant, and the combustion mixture with combustion using the instantaneous / local chemical reaction conditions and the instantaneous / local physical property values.
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