乱流境界層内における予混合火炎の逆火現象発生の瞬間を、弊社自社開発 CFD ソルバー「Advance/FrontFlow/red」搭載の詳細化学反応機構を用いて三次元LES解析した例をご紹介します。

逆火現象に至るかどうかは、火炎の燃焼速度と流体の流速の差によって決まります。

従ってここでは、逆火が起こることが報告されている条件である、当量比 Φ=0.41 の H2/Air 予混合ガスをバルク速度 10m/s でチャネルに流し、発達した乱流境界層内で着火しました。

動画において、等値面は T=1000K の火炎面を表しており、火炎面は最初保炎位置で揺らいでいますが、逆火が発生すると、前後に移動しながら徐々に上流へ伝播します。
白い半透明の等値面は流速が 0 付近の逆流領域を表しており、逆流の発生と、火炎の上流への伝播が対応していることが分かります。
この流れ場条件は、実験で観測された逆火限界をやや超えた付近であり、この条件で逆火現象が発生することがAFFrでも再現できました。

＊ 計算条件

・流体：水素ー空気混合気（Φ=0.41）

・境界層厚さベースのReynolds数：約320

・バルク速度：10 m/s

この技術により、乱流場と火炎の複雑な干渉の影響、更には、スワールバーナーなどおける逆火などの安全性に関わる現象を事前に予測することが可能です。

＊ 計算コスト

・Cell 数：5,210,880（Point数：5,669,700）

・計算時間(着火後)：168 h 00 m 00 s（MPI並列数：112）

＊ 参考論文

Endres, A., Sattelmayer, T., “Numerical investigation of pressure influence on the confined turbulent boundary layer flashback process,” Fluids, Vol. 4, Issue 3, 146, 2019.

Fukuba, S., Nishiie, T., Kai, R., Kurose, R., “Prediction of boundary layer flashback limits of hydrogen flame using and LES/non-adiabatic FGM approach,”International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems, Vol. 15, No. 1, pp. 40-47, 2024.