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燃焼と地球環境（２） 燃焼の基礎理論 高城敏美 大阪大学大学院工学研究科機械物理工学専攻 |
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はじめに 燃焼の形態は燃料によって、気体、液体または固体の燃焼、混合の形態によって、予混合と拡散燃焼、流れの形態によって、層流と乱流燃焼、定常と非定常燃焼などと分類され、さらに利用機器に応じて分類されることもある。いずれの形態においても、燃焼過程で生じる現象は、流動、化学種の拡散、反応、反応による熱発生、熱の移動などであり、これらが並行して生じる。液体や固体の燃料では、さらに蒸発や粒子の運動などが関連する。燃焼火炎内の状態は流速、温度、化学種濃度を規定すれば決まるが、上記現象を組み合わせて考慮すれば燃焼現象を基礎的に理解できる。 近年、大型計算機やワークステーションの性能向上が著しく、複雑な現象の複合過程として生じる燃焼も反応性流体力学の観点からの合理的な数学的記述に基づいた解析が比較的容易となっている。 |
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1. 燃焼を記述する方程式 燃焼場では燃料、酸化剤などの流動、拡散、反応、熱発生、熱の移動の過程が同時に生じる。このため、燃焼を伴う流れを記述する方程式は、質量、運動量、エネルギーおよび各化学種についての保存式である 1）〜3）。  これらの式は燃焼流における流速、各種化学種濃度、エンタルピーを規定する比較的一般的な方程式である。エネルギーの保存式は、多成分系では温度よりもエンタルピーを従属変数にするほうが式が簡単になる。ここで、tは時間、xiはi方向の座標、uiはi方向の流速成分、ρは密度、pは圧力、τikは粘性によるi方向運動量のk方向流束、Yjは化学種jの質量分率、jjkは化学種jのk方向への拡散流束、Rjは化学種jの単位体積あたりの生成速度、h、hjは混合ガス、化学種jのエンタルピー、qkは質量平均速度に相対的なk方向熱流束、Qhは放射や粘性による発熱などによる単位体積あたりの受熱量である。添字については総和規約を適用する。 これらの式により、ui、p、Yjおよびhを時間と場所の関数として求める方程式が表されることになる。これらの式を解くには、τik、Jjk、qkおよびRjなどを算出する補助式が必要であり、また、熱力学諸量や輸送物性などを別途求める必要がある 4）〜6）。 |
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