高圧水素の噴流拡散と燃焼に関する研究


○配管を通じた高圧水素放出における火炎形成

水素ステーション等における高圧水素貯蔵設備の内圧が想定以上に高くなった場合、配管を通して水素を大気中に放出し、内圧を下げるという安全措置が施されています。しかしながら、水素を放出する際に、着火源が無いにも関わらず、管外でジェット火炎が形成される場合があります。安全に水素ステーションを運用するためには火炎の形成を防ぐ必要があります。そこで、ジェット火炎が形成される要因を解明し、防止策を提案することを目的とした研究を行っています。


配管を通じた高圧水素噴流におけるジェット火炎 [1]



○研究内容

衝撃波管を用いた高圧水素放出実験

可視化窓を設置した衝撃波管を使用して水素が放出されている管内の様子を観測しました。圧力センサ、光センサ、高速度カメラなどを使用して管内の現象を解析し、管内壁面近傍で着火することがわかりました。


実験装置概略図




上:管内を伝播する火炎(直接撮影、FASTCAM SA-Z、50,000 fps)

下:管内の衝撃波、火炎(シャドウグラフ、FASTCAM SA-X2、50,000fps) [2] [3]



管内から管外へと放出された衝撃波と火炎は、以下の動画のような挙動を示します。シャドウグラフからは、球状に伝播する衝撃波と、遅れて噴出する火炎が捉えられています。直接撮影からは燃焼による高温水蒸気の発光が捉えられています。また、本研究により、管外で火炎が吹き消えずに保炎されるメカニズムが明らかとなりました。


管外を伝播する衝撃波、水素噴流および火炎
(シャドウグラフ:HPV-X、200,000fps 直接撮影:FASTCAM SA-Z、25,000fps) [3] [4]



アクリル管を使用した実験により、管内で着火した火炎が管外に噴出する様子を撮影することができました。動画は、アクリル管を横方向(左)と軸方向(右)から同時に撮影したものです。



管内から管外へ噴出する火炎
(横方向:FASTCAM SA-X2、50,000fps 軸方向:FASTCAM SA-5、25,000fps) [5]



高速度カメラを3台並べてジェット火炎の詳細な伝播挙動を撮影しました。



ジェット火炎の伝播挙動 [6]



高圧水素放出における火炎挙動のシミュレーション

数値シミュレーションによって、実験からは測定することが困難な温度、水素濃度などの分布を予測し、現象の理解を深めています。3次元のシミュレーションでは、緑色の領域が水素と空気の混合面、ピンク色の領域が火炎をそれぞれ示しています。2次元のシミュレーションにおいては、上の温度分布では赤い領域が火炎、下の水素の質量分率では緑色の領域が水素と空気の混合面をそれぞれ示しています。



円管3次元シミュレーション(上:水素の質量分率 0.1、下:温度 2400K)



衝撃波管による実験を想定した2次元シミュレーション(上:温度、下:水素の質量分率)






[1]Makoto Asahara, Tei Saburi, Siro Kubota, Toshiki Ando, Takeshi Miyasaka (2016). Self-ignition and flame development of high-pressure hydrogen flow in a rectangular tube by simultaneous shadowgraph and direct photograph. 31th ICHSIP 2016
[2]安藤俊希, 朝原誠, 佐分利禎, 久保田士郎, 宮坂武志 (2018). 高圧水素噴流における放出管長が管外火炎に及ぼす影響. 平成29年度衝撃波シンポジウム
[3]Toshiki Ando, Makoto Asahara, Tei Saburi, Siro Kubota, Takeshi Miyasaka (2018). Propagation Behaviour of Self-Ignited Flame on High-Pressure Hydrogen Flow in a Tube. 12th ISHPMIE
[4]安藤俊希, 朝原誠, 佐分利禎, 久保田士郎, 宮坂武志 (2018). 高圧水素放出における管長がジェット火炎形成に及ぼす影響. 安全工学シンポジウム2018
[5]安藤俊希, 朝原誠, 佐分利禎, 久保田士郎, 宮坂武志 (2018). 配管を通じて放出される高圧水素火炎挙動. 平成30年度火薬学会大会
[6]安藤俊希, 朝原誠, 佐分利禎, 久保田士郎, 宮坂武志 (2019). 配管から放出される高圧水素の自己火炎形成における放出圧力と管長の影響. 第57回燃焼シンポジウム



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