狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード

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Vol
日本燃焼学会誌第 46巻 1
3
8号 (
2 4年) 2
4
3
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-原著論文/ ORIGINALPAPER.
狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード
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Yokohama240-850/，
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2 4年 9月 2日受付;2 4年 1
0月 24日受理/ R
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. 緒言
デトネーシヨンの伝播限界条件を調べることは，防爆の
ための基礎的なデータを提供することとなる.円管内を伝
ネーシヨンが形成される.速度欠損の主要な原因は，壁へ
7
]ため
の摩擦損失により衝撃波面背後の運動量が失われる [
8
.
9
]
であり，セルサイズという反応誘導距離と関連する量 [
とは物理的意味合いが異なる.速度欠損に関しては，解析
播するデトネーションの伝矯限界は古くから調べられてお
2
]により定量的評価が
的手法 [10]や数値シミュレーション [
り[
1
]，各種混合気に対して伝播可能な最小直径の存在が確
行われており，また一次元解析では，摩擦損失の付加によ
認されている [
2
]
. Dupre らは，直径が段階的に変化する管
1
1]
.
り振動解が生ずることがわかっている [
を用いて，セルサイズが管内周と等しい場合がデトネーシ
これまでに著者らは，円管内に設けた長さ 500m mの間
ヨンの伝播限界条件であることを系統的に調べている
隙に定常デトネーションを入射させ，間隙の幅および混合
[
3.
4
]
. しかしながらデトネーションが間隙内に進入する場
気組成がその後のデトネーシヨン伝播へ及ぼす影響を調べ
合には，セルサイズより小さい間隙長においても，速度欠
てきた [
5，
6
]
. しかしながら間隙入射後直後では，運動量損
損を伴うものの定常的に伝播することが可能でらあることが
失による衝撃波の減衰と，デトネーション波面背後の燃焼
5
.
6
]
. この場合，伝播は間隙面内における衝
わかっている [
ガスによる衝撃波駆動とがバランスせずにオーバードリブ
撃波三重点の衝突・移動に支配され，いわゆる二次元デト
ン状態にあるため，混合気によっては長さ 5 mm の試験
*Co町民pondingauthor.E-mail:kazishii@ynu.ac.
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p
材現所属 :三菱重工業株式会社
干6
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5
8
5 神戸市兵庫区和田崎町トト l
∞
区間では定常伝播の確立に不十分となる可能性があり，ま
た大幅な速度変動など‘の不安定性を示す場合については，
伝播挙動の全容を把握するに足るだけの長い試験区聞が必
(
3
7
)
∞
244
日本燃焼学会誌第 4
6巻 1
3
8号 (
2 4年)
5
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Brass
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形状のピエゾセラミック素子により圧力波を検知する構造
となっている.またプローブ設置が間隙内におけるデトネ
ーション挙動に影響を与えないように，イオンプロープは
フラッシュマウントとする必要がある.そのため上述の受
圧面が電極も兼ねており，絶縁用のデルリンを挟んだ外周
4
0
P
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の円環状の電極との聞に電圧を印加している. したがって
combir15tlon Probe spacer
圧力波面検出部はプロープ中心，反応面検出部はその外周
の円環部となり，厳密には両波面検出位置は異なるものの，
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ほぽ同一計測地点で衝撃波面と反応面の到達を個別に捉え
ることができる.なお，本圧力プロープではピエゾセラミ
ック素子の固有振動数の補正は行っておらず，衝撃波のよ
要となることがわかった.そこで本研究では，試験区間の
うな急峻な立ち上がりの圧力波に対しては出力が大きく振
長さを 1500m mへと延長し，主としてその伝播挙動に重
動する結果となる.そのため本プロープでは圧力の絶対値
点をおいて，間隙内を伝播するデトネーシヨンに関して実
測定は行わず，出力信号の立ち上がりから衝撃波面到達の
験的に調べた.当量比および希釈気体の割合を変化させる
検出のみを行っている.
ことで，様々なセルサイズのデトネーションを間隙に入射
2
.
2
. 実験条件
させ，伝播速度およびセルサイズの変化より伝播モードの
実験条件を Table1に示す.試験気体は水素一酸素混合
特定を行った.
気をペースとし，試験部の初期圧力は 39kPa一定であり，
当量比およびアルゴン，窒素の希釈率を変化させることに
2
. 実験方法
よりセルサイズを変化させた. Table1におけるセルサイズ
2
.
1. 実験装置
は間隙入射前での実測値であり，どの条件においてもセル
本研究で使用したデトネーシヨン管は F
i
g
.1に示すよう
サイズは間隙長 2m mより大きい.なお，反応性の低い混
に全長 5，
350m m，内径 5
0
.
5m mのステンレス管である.
合気の場合には， F
i
g
. 1~こ示される長さ 850 m mの駆動部
500m m，幅 46m mの一対のステンレス
試験部には長さ 1，
に水素一酸素量論混合気を充填し，駆動部にて生じたデト
板が挿入されている. Fig.2に試験部の詳細を示す.ステ
ネーシヨンにより試験部にデトネーションを起動させた.
ンレス板の間に金属製スペーサーを挟むことにより，横幅
このとき駆動部の初期圧力を 52kPa'"65kPaの範囲で調整
40m m，高さ方向 2m mの間隙が構成されている.ステン
し，試験部でデトネーションが生ずる下限の圧力付近に設
レス板表面に煤を塗布することにより，間隙内のセル構造
定した.駆動気体総発熱量に対する試験気体総発熱量の比
の変化を観察することができる.
は
， Table1のアルゴン希釈 80%の場合で 0
.
61，窒素希釈
55%の場合で1.1である.
試験部には，圧力プロープとイオンプロープを組み合わ
一般に，反応性の高い気体のデトネーションを駆動部と
せたプロープ(以後，コンビネーション・プロープと呼ぶ)
5個設けられてい
が，試験区間入口より 100m m ごとに 1
して反応性の低い気体にデトネーションを起動させる場合
る.コンビネーション・プロープの構造を Fig.3に示す.
には，どこまで駆動気体の影響が残存しているかという問
.
2m mの受圧面を介して，円筒
圧力プロープは，厚さ約 0
題がある.また反応性の低い気体に対して，駆動気体を用
(
3
8
)
石井一洋ほか，狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード
245
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)カ
宝
生じた場合にも，速度は定常値を示しているものの定常伝
た場合の速度履歴およびセルサイズの変化を示す.図の横
1
2
]
. この場合は，火炎伝
播には到っていない場合もある [
軸は間隙入り口からの距離を表している.距離 0 における
播初期に生じた圧縮波によって予め圧縮された混合気中を
速度は，間隙に入射するデトネーシヨンの速度であるが，
デトネーションが伝播してゆくためと考えられ，反応性の
前述の間隙手前に設置した 3個のイオンプロープによる測
低さから DDT距離が長くなる場合にも，定常伝播の確認
定値をプロットした.これはほぼ C
J速度を示しているこ
に注意を要することを示唆している.本研究では，伝播速
とがわかる.間隙に入射して約 l割程度の速度欠損がある
度が C
J速度とほぼ一致し，さらにセルサイズが他者の定
ものの，その後は間隙内を一定の速度で伝播している.間
常伝播のデータと一致するか，という双方から定常伝播の
隙入射前のセルサイズは 4.0m mであり，間隙内ではセル
確認を行なった.具体的には，試験部へ入射するデトネー
が大きくなる傾向にあるが，ほぽ規則正しいセル構造を示
ション速度は間隙手前の 3個のイオンプロープにより測定
している.以上よりデトネーションは間隙内を定常伝播し
し，さらに間隙直前に設置した煤膜から測定されたセルサ
ていると考えられる.本実験では当量比ゆ=0
.
3
'
"
'
'1
.
5，ア
イズを文献 [
9，1
3・1
7]と比較して，間隙入射前に定常デトネ
ルゴン希釈率 5
0
'
"
'
'
7
0
%，窒素希釈率 1
5，25%の場合に
ーションが確立されていることを事前に確認した.
s
t
a
b
l
eモードを示した.
混合気の点火は，一時電流遮断型の点火回路を用いて管
端に設置した自動車用点火栓にて行った.さらに DDTを
3
.
1
.
2 quasトstableモード
促進させるため，管端部にはスパイラルを挿入した.
入射するデトネーシヨンのセルサイズを s
t
a
b
l
eモード時
i
g
.
よりも徐々に大きくした場合にこのモードが現れた. F
5に示されるように，伝播速度に関しては衝撃波面，反応
3
. 実験結果および考察
面ともに若干の変動があるもののほぼ一定であり， s
t
a
b
l
e
3
.
1
. f
云播モード
モードとの大きな差異は見当たらない.一方，煤膜記録で
本実験では，二次元的な間隙形状における速度測定結果
はセルサイズが大きくばらつくとともに，間隙長方向に移
および煤膜記録のおけるセル構造の変化から， s
t
a
b
l
e，
動する三重点がステンレス板で反射する際に残す痕跡であ
q
u
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eの 5種類の伝播
る slappingwave[18]が顕著に見られる.間隙内では幾つか
モードが確認された.以下に各モードに関して記す.
の三重点の消失とともにセルが大きくなっていくが，側壁
となる金属製スペーサーにおける三重点、の反射の後に再び
3
.
1
.
1 stableモード
Fig.4に水素一酸素量論混合気をアルゴンで 50%希釈し
細かいセルが出現しており，この繰り返しが速度変動に影
響していると考えられる.
(
3
9
)
246
日本燃焼学会誌
∞
第 46巻 1
3
8号 (
2 4年)
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Fig.5の煤膜記録は間隙を構成するステンレス板の内の
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.
3
している. したがって進行方向が互いに垂直な三重点がそ
れぞれ独立に伝播してゆく，二次元デトネーションが実現
されていると考えられる.本実験のようにアスペクト比の
大きいチャンネル断面においては，間隙長方向の波の伝播
は抑制され，主として 40m mの間隙幅方向への三重点の
時の同一条件における 2回の結果を示しており，煤膜記録
伝播によってデトネーションが維持されていると考えられ
=0.2， 1
.7，2.0および窒素希釈率 40%時に quasiる. o
はその内の白抜きの記号に対応している.このモードでは
s
t
a
b
l
eモードが現れた.
他のモードと異なり速度履歴には再現性はない.また，一
J速度以上の伝播速度を示すこともあ
時的ではあるが C
り，煤膜記録に示されるように細かいセルの出現とともに
3
.
1
.
3 gallopingモード
に強いオーバードリブン状態を示している.
管内を進行するデトネーシヨンの伝播限界条件付近で
は，大幅な加速・減速を繰り返す gal
Jo
pingデトネーション
Jo
pingデトネーションでは，衝撃波面と
管内における gal
1
8
2
0
]
. F
i
g
.6 に示される
が出現することが知られている [
反応面とが完全に分離して，三重点の伝播そのものが消失
ように，間隙内を伝播する場合にも同様な現象が確認され
2
0
]
. さらにデトネー
した後に反応面の加速が生じている [
た.この場合，デトネーシヨンは間隙入射後に急激に減速
ション波が再形成される箇所では DDTと同様な細かいセ
し，幾つかの三重点の消失とともにセルが大きくなってゆ
ル構造の出現を呈しており，デトネーション波の再形成に
く.その後も波面の減速が続いて lつの三重点が存在する
は少なくとも数 m 以上の距離を要している.本実験では，
のみとなり，衝撃波面と反応面との分離が生ずる.煤膜記
三重点の側壁における反射によりデトネーシヨンが維持さ
録では三重点の軌跡も希薄となり，軌跡そのものが捉えき
Jo
pingデトネーショ
れていると考えられ，管内における gal
れない部分も存在した.その後は波面が加速を開始し，側
ンと伝播機構が必ずしも同一で、あるとは断言できない. し
壁での反射の後に細かいセルが出現し，波面の減速ととも
かしながら，細かいセルの出現および大幅な速度変動があ
にセルが再び大きくなってゆくことを繰り返していく.
Jo
pingと呼ぶこととした.本実
ることとから，現象的に gal
Fig.6は煤膜記録の片側であるが，もう l枚の煤膜記録に
験ではゆ=2
.
0
"
"
'2
.
5の場合にこのモードを示した.
も対称なセル構造が観察されており，この場合も二次元的
現象であることがわかる.また， Fig.7は gallopingモード
(
4
0
)
石井一洋ほか，狭い間隙内におけるデトネーションの伝播モード
(
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)
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.
5
.
ンと同様と考えられるが，相違点としては側壁での反射に
3
.
1
.
4 singleheadモード
前述したように，円管内におけるデトネーシヨンの伝播
よる三重点の強化があり，これが速度変動に影響している
限界条件はセルサイズが内径円周と等しい場合とされてい
可能性が考えられる .波面は平均して C-J速度の約 6割程
る[
1，
2
]
. このときは lつの三重点、が螺旋状に回転しながら
度の速度で伝播しており，通常のスピン・デトネーション
伝播してゆくスピン・デトネーションとなる.また矩形断
の伝播速度よりも遅い結果となっている.
面においてもスピン・デトネーションが生ずることがわか
s
i
n
g
l
eheadモードはゆ=2
.
5および窒素希釈率 45%の場
っている [
2
1
]. 本実験では，間隙を含む面内で移動する l
合に見られたが，前者では gallopingモードが生ずることも
つの三重点、が，側壁における反射を繰り返すことで伝播を
あった.このように同一条件においても 2つのモードが共
維持するモードが存在した. Fig.8にその場合の煤膜記録
.
0では q
u
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b
l
eモードと
存する場合があり，他にゆ=2
と速度履歴の代表例を示す.同図は煤膜記録の片側である
g
a
l
l
o
p
i
n
gモードの両者が確認された.この原因としては間
が，もう 1枚の煤膜記録にも対称な痕跡が残されていた.
隙に入射する定常デトネーションの三重点の個数が，実験
これから，三重点は断面内で回転することなく間隙面内を
ごとに必ずしも同一ではないことが挙げられる.すなわち，
ジグザグに移動していることがわかる.速度履歴は細かい
入射する三重点の個数が比較的多い場合には，より安定な
変動をしているが，これは直線配置したプロープにより速
モードで伝播すると考えられ，同一条件における複数の伝
度測定を行ったスピン・デトネーションの場合にも見られ
播モードの存在はデトネーシヨン波面自体の不安定性 [
2
3・
ることがある.スピン・デトネーシヨンでは，その波面構
2
7
]にも起因していると考えられる.
造が単純な一次元的なものではなく，湾曲した衝撃波面お
よび反応面，スピンの本体である横波により構成されてい
3
.
1
.
5 f
a
i
l
u
r
eモード
る[
2
2
]
. したがって，プロープ位置を波面のどの部分が通
これはデトネーシヨンの伝播に失敗した場合であり，伝
過するかに応じて速度測定結果にも変動が現れることとな
播モードと呼ぶことには無理がある. Fig.9 にアルゴン希
る.本モードにおいても波面構造はスピン・デトネーシヨ
釈率 80%の速度測定結果を示す.間隙に入射した後，デ
(
41)
∞
248
日本燃焼学会誌第 46巻 138号 (
2 4年)
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vは間隙内における平均
トネーションは定常伝播に至ることなく減速を続け，やが
ここでは Vo間隙入射前の速度，
て 250m mを過ぎた付近から衝撃波面と反応面との分離が
速度である. Fig.IOに s
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a
b
l
eおよび q
u
a
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s
t
a
b
l
eモード時の
始まり，反応面の再加速も生じない.煤膜記録においても，
速度欠損を示す.ここで横軸は，間隙長を間隙入射前のセ
間隙入射後よりセルサイズが大きくなり， 300mm付近で
ルサイズで除した無次元量としている.セルサイズは混合
セル構造は消えてしまう.水素一空気量論混合気とほぼ等
気固有の値であり， d
e
t
o
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b
i
l
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yを示す尺度として取り扱う
しい組成となる窒素希釈率 55%に関しでも同様の結果と
ことができる.速度欠損は混合気の粘性， C-J面までの波
なった.
面構造に依存するため，単純にセルサイズのみで整理する
ことができるとは言い難い. しかしながら，セルサイズと
3
.
2
. 速度欠損
デトネーション波面背後の反応誘導距離とは密接な関係が
一般に，セル構造を考慮することなく C-J条件から熱力
あることが知られており [
8，9
]，衝撃波面から C
J面までの
学的に計算される C-J速度は，セルサイズよりも十分大き
距離もまたセルサイズと関連することが考えられる [
2
8
]
.
な空間を伝播するときのデトネーシヨン伝播速度の測定値
J面における粘性係数は混
また水素一酸素混合気では， C
と良い一致を見る. しかしながら，狭い間隙内を伝播する
合気組成が異なったとしても 10%程度の変化を示すのみ
場合にはデトネーションは速度欠損が生じ， C-J速度を下
5
]，波面背後は複雑な波面構造に起因する乱流構造
であり [
回る速度で伝播することとなる.定常デトネーションを移
が存在する [
3
1
]ことから，むしろ乱流境界層が支配的であ
動座標系における一次元モデ、ルで考えれば，衝撃波面背後
る可能性が高い. したがって実験式的な意味合いが強いも
は亜音速であるが，その後は Taylor膨張波により増速し，
のの， Fig.10に示されるようにセルサイズで無次元化した
流速と局所音速が等しくなる C-J面以降は超音速となる.
間隙長で速度欠損を整理することが可能であると考えら
この座標系では壁面はデトネーション伝播速度で下流に移
れる.
動することとなり，したがって境界層がデトネーション伝
Fig.10において，同ーセルサイズであっても希薄混合気
J面まで
播に影響を及すことが可能なのは衝撃波面から C
では過濃混合気より速度欠損が少なしまた希薄側ではセ
となる [
7之8
.
2
9
]
. このような一次元モデルは，セル構造を
ルサイズを変化させても速度欠損にはあまり影響しない結
考えていない点で現実的ではない. しかしながら多次元計
果となった.これはデトネーションの波面構造に関係して
算としても波面下流においていずれは超音速へと移行する
ーいると考えられ，一次元数値シミュレーションの結果では，
ため，いわゆる C-J波面形状が一次元計算よりも複雑化す
運動量損失を付加してゆくと衝撃波面から C-J面までの距
るものの，速度欠損の機構は同様と考えられる [
3
0
]
.
離が短くなる [
6
]
. 混合気組成が量論比から外れるほど一般
に反応誘導時聞が長くなるが，一方で水素一酸素混合気に
本研究では速度欠損 .
I
1V(%)を以下のように定義した.
I
F
V
;
)
，
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、
‘
ι
1 -V
.
1
.V
=
_
"
_
I
I
_
一 xl00
関しては等量比の増加とともに C-J速度が増大する.その
ため希薄混合気と過濃混合気で同ーの反応誘導時間であっ
たとしても，衝撃波面から C-J面までの距離は前者の方が
(
4
2
)
石井一洋ほか，狭い間隙内におけるデトネーシヨンの伝播モード
249
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4
. 結言
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当量比および希釈率を変化させることで得られる様々な
セルサイズのデトネーションを，高さ方向 2m m，幅 40
m mの間隙内に入射させて，その後の伝播の様子を実験的
に調べた.この二次元的間隙を伝播するデトネーションの
15
速度測定および煤膜記録の結果から s
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eの 5種類の伝播モードが存在す
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ご
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-1
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ることがわかった.また本実験条件では，セルサイズで無
次元化した間隙長で速度欠損を整理できるが，希薄混合気
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eモードでは，速度欠損はセルサイズに
あまり依存しない.さらに希釈気体の種類は間隙内の伝播
に大きく影響を及ぼし，同一希釈率ではアルゴ、ン希釈と比
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。
較して窒素希釈では速度欠損が大きく，間隙内における伝
播能力が低いことがわかった.
ー
・
.
0.5
1
.
0
1
.
5
2.0
2.5
3.0
References
Eguivalencer
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短くなり，主流からの運動量の損失割合も小さいと考えら
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19
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)
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れる.アルゴンおよび窒素希釈の場合には，以上の説明だ
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. Lee，J
.H
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. Dupre，G.
けでは不十分であり，セル構造を考慮に入れた解析が必要
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.
である.
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1 に当量比および希釈率を変化させた場合の速度欠
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損および伝播モードを示す.同一希釈率であっても，窒素
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希釈の場合は速度欠損が大きしまた伝播が不安定となり
やすいことがわかる.管内を伝播するデトネーシヨンに関
2789-2794(
2
0
0
2
).
しては，一般にアルゴン希釈の場合は煤膜記録における三
7
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:283-289(
19
5
9
)
.
重点、の奇跡が明瞭で、あり，比較的均一なセルが得られる.
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それに対して窒素希釈ではセルサイズがぱらつく傾向があ
る. これらに関して，近年 LIF等を用いたデトネーション
(
19
8
6
)
.
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.
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波面の可視化により，乱れを伴う波面構造の相違が不安定
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8
)
.
3
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性に起因していることが明らかにされている [
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.
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.3・195-205(
1
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).
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においては，希釈気体の相違による衝撃波面構造の乱れが
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運動量損失に影響していることが考えられる.
本研究では，間隙断面のアスペクト比が固定された条件
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において実験を行っている.アスペクト比を変化させてデ
トネーション伝播を調べた実験では，セル構造の規則性の
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.(
19
7
3
)
.
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iangminas，R
.
， Watson.R
.H.，andEyman，
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3
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相違により伝播限界条件のアスペクト比依存性が異なる結
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.1
1
:683-692(
19
6
7
).
果が得られている [
3
2
]
. この実験では，ワイヤースクリー
1
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3(
1
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7
4
)
.
ンを使用して管側壁における横波の反射を抑えている点が
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.
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異なるものの，アスペクト比によって伝播モードならびに
速度欠損が異なる可能性が示唆されており，今後の検討課
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.
題である.
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19
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9
)
.
(
4
3
)
∞
250
日本燃焼学会誌第4
6巻 1
3
8号 (
2 4年)
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