予混合炎

予混合炎は、燃料と酸化剤の予混合チャージ（予混合物とも呼ばれる）の燃焼中に特定の条件下で形成される炎です。燃焼の主要な化学反応物である燃料と酸化剤は、均質な化学量論的予混合チャージ全体に存在するため、燃焼プロセスは、いったん開始されると、それ自体の熱放出によって持続します。このような燃焼プロセスにおける化学変化の大部分は、主に未燃焼ガスと燃焼ガスを分離する薄い界面領域で発生します。予混合炎の界面は、チャージ全体がなくなるまで混合物中を伝播します。^[1]予混合炎の伝播速度は炎速（または燃焼速度）として知られており、炎内の対流-拡散-反応バランス、つまり炎の内部化学構造に依存します。予混合炎は、未燃焼予混合物（炎の伝播媒体となる）の速度分布に応じて、層流または乱流として特徴付けられます。

制御された条件下 (通常は実験室) では、層流炎はいくつかの可能な炎構成のいずれかで形成されることがあります。層流予混合炎の内部構造は、燃料の分解、反応、および完全酸化が起こる層で構成されています。これらの化学プロセスは、流れの渦運動などの物理的プロセスよりもはるかに高速であるため、層流炎の内部構造はほとんどの状況でそのまま残ります。内部構造の構成層は、指定された未燃焼混合物から断熱炎温度(AFT) まで温度が上昇する指定された間隔に対応しています。体積熱伝達や空気伸張がある場合、または固有の炎不安定性が生じている場合は、反応の程度、つまり炎全体で達成される温度が AFT と異なる場合があります。

1段階不可逆化学反応、すなわち、平面断熱炎は、ゼルドビッチ数がのとき、活性化エネルギー漸近線から導かれる燃焼速度の明示的な表現を持つ。反応速度（単位体積あたり単位時間あたりに消費される燃料のモル数）は、アルレニウスの形式とされる。 ${\displaystyle \nu _{F}{\rm {{F}+\nu _{O}{\rm {{O}_{2}\rightarrow {\rm {製品}}}}}}}$ ${\displaystyle \beta \gg 1.}$${\displaystyle \omega}$

${\displaystyle \omega =B\left({\frac {\rho Y_{F}}{W_{F}}}\right)^{m}\left({\frac {\rho Y_{O_{2}}}{W_{O_{2}}}}\right)^{n}e^{-E_{a}/RT},}$

ここで、は指数関数係数、は密度、は燃料の質量分率、は酸化剤の質量分率、は活性化エネルギー、は普遍気体定数、は温度、はそれぞれ燃料と酸化剤の分子量、は反応次数です。炎よりはるかに前方の未燃焼状態を下付き文字で表し、同様に燃焼ガス状態を とすると、未燃焼混合物の 当量比を次のように定義できます。${\displaystyle B}$${\displaystyle \rho}$${\displaystyle Y_{F}}$${\displaystyle Y_{O_{2}}}$${\displaystyle E_{a}}$${\displaystyle R}$${\displaystyle T}$${\displaystyle W_{F}\ \&\ W_{O_{2}}}$${\displaystyle m\ \&\ n}$${\displaystyle u}$${\displaystyle b}$ ${\displaystyle \phi}$

${\displaystyle \phi ={\frac {\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}}{\nu _{F}W_{F}}}{\frac {Y_{F,u} }{Y_{O_{2},u}}}}$。

すると、燃料過多混合物の平面層流燃焼速度（ ）は^{[2] [3]}で与えられる。${\displaystyle \phi >1}$

${\displaystyle S_{L}=\left\{{\frac {2B\lambda _{b}\rho _{b}^{m+n}\nu _{F}^{m}Y_{O_{2},u}^{m+n-1}G(n,m,a)}{c_{p,b}\rho _{u}^{2}\nu _{O_{2}}W_{O_{2}}^{m+n-1}\beta ^{m+n+1}\mathrm {Le} _{O_{2}}^{-n}\mathrm {Le} _{F}^{-m}}}\right\}^{1/2}e^{-E_{a}/2RT_{b}}+O(\beta ^{-1}),}$

どこ

${\displaystyle G(n,m,a)=\int _{0}^{\infty }y^{n}(y+a)^{m}\ dy}$

および です。ここでは熱伝導率、は定圧比熱、 はルイス数です。同様に、希薄混合物の式を書くことができます。この結果は、1980年にT. Mitaniによって初めて得られました。^[4]より複雑な輸送特性を持つこの式の2次補正は、 80年代にForman A. Williamsと同僚によって導き出されました。^{[5] [6] [7]}${\displaystyle a=\beta (\phi -1)/\mathrm {Le} _{F}}$${\displaystyle \lambda}$${\displaystyle c_{p}}$${\displaystyle \mathrm {Le} }$${\displaystyle \phi <1}$

層流炎の局所的な伝播速度の変化は、炎の伸張と呼ばれる現象によって生じます。炎の伸張は、外側の流速場による歪みや炎の曲率によって生じます。伝播速度と対応する層流速度の差はこれらの効果の関数であり、次のように表すことができます。 ^{[8] [9]}

${\displaystyle U_{L}=S_{L}-S_{L}{\mathcal {M}}_{c}\delta _{L}\kappa +{\mathcal {M}}_{a}\delta _{L}\mathbf {n} \cdot \nabla \mathbf {n} \cdot \mathbf {n} }$

ここで、は層流炎の厚さ、は炎の曲率、は未燃焼ガス側を指す炎表面の単位法線、は流速、は曲率とひずみのそれぞれのマークシュタイン数です。 ${\displaystyle \delta_{L}}$${\displaystyle \kappa}$${\displaystyle \mathbf {n} }$${\displaystyle \mathbf {v} }$${\displaystyle {\mathcal {M}}_{c}\ \&\ {\mathcal {M}}_{a}}$

実際のシナリオでは、乱流は避けられません。中程度の条件下では、乱流は燃料と酸化剤の混合プロセスを強化するため、予混合燃焼プロセスに役立ちます。予混合ガスが均一に混合されていない場合、当量比の変化が炎の伝播速度に影響を与える可能性があります。混合燃料の成層燃焼など、場合によってはこれが望ましいこともあります。

乱流予混合炎は、炎の内部構造を決定するプロセスが影響を受けない限り、層流炎の集合体で構成された表面として伝播すると想定できます。^[10]このような条件下では、予混合ガスの乱流運動により炎の表面積が増大し、炎の表面積が増大します。このしわのプロセスにより、乱流予混合炎の燃焼速度は層流予混合炎の燃焼速度よりも速くなります。

このような予混合炎の伝播は、スカラーに対するG方程式^{[11] [12]}と呼ばれる場の方程式を使用して解析することができます。 ${\displaystyle G}$

${\displaystyle {\frac {\partial G}{\partial t}}+\mathbf {v} \cdot \nabla G=U_{L}|\nabla G|}$、

これは、G のレベルセットが、局所速度で伝播する予混合炎内のさまざまな界面を表すように定義されます。ただし、界面の伝播速度 (未燃焼混合物と比較して) は、速度場の勾配によって誘発される空力伸張によりポイントごとに異なるため、通常はそうではありません。 ${\displaystyle U_{L}}$

しかし、対照的な条件下では、予混合炎の内部構造が完全に乱され、炎が局所的に（局所的消炎として知られる）または全体的に（全体的消炎またはブローオフとして知られる）消えることがあります。このような相反するケースは、SI エンジンや航空エンジンのアフターバーナーなどの実際の燃焼装置の動作を左右します。乱流で炎の内部構造がどの程度影響を受けるかを予測することは、広範囲にわたる研究のテーマです。

予混合ガスの流れの構成は、燃焼の安定性と燃焼特性に影響します。

ブンゼン炎では、炎を安定させるために、炎の速度に一致する一定の流量が提供されます。流量が炎の速度より低い場合、燃料が消費されるか炎が炎保持器に遭遇するまで、炎は上流に移動します。流量が炎の速度に等しい場合、流れの方向に対して垂直な静止した平坦な炎の前面が予想されます。流量が炎の速度を超える場合、炎の前面は円錐形になり、炎の前面に垂直な速度ベクトルの成分は炎の速度に等しくなります。

ここで、予混合ガスは、炎が安定する停滞領域（速度ゼロ）を形成するように流れます。

この構成では、炎は通常、均質な予混合気内での火花によって発生します。その後、発生した予混合炎は、混合物が完全に変化するか燃焼容器の壁に達するまで、球状の前面として伝播します。

予混合ガスの当量比を制御できるため、予混合燃焼は低温を実現し、NO _x排出量を削減する手段となります。拡散炎と比較して混合が改善されるため、すすの生成も軽減されます。そのため、予混合燃焼は近年重要性を増しています。予混合燃焼には、希薄予混合予蒸発 (LPP) ガスタービンや火花点火エンジンでの用途があります。

• 炎生成多様体
• 輝く炎
• 酸素燃料