アンモニアの燃焼解析

-ラボスケール旋回燃焼器におけるアンモニア燃焼実験の解析-

アンモニアの燃焼解析の概要

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こんな方におすすめ

燃焼器や燃焼炉、バーナーなどにおいてアンモニアの燃焼状態を把握したい設計者 / 解析者

解析概要

本件では、ラボスケールの旋回燃焼器におけるアンモニア燃焼実験に対する数値流体解析を行い、これにより温度や速度・化学種などの各種物理量に対し、どのような解析結果が得られるのかをご紹介します。解析は熱流体と燃焼を考慮する手法で行い、定常状態と非定常状態をそれぞれ想定した結果を示します。

使用ソフトウェア

Ansys Fluent 2021R2
Ansys Fluent 2022R2
Ansys SpaceClaim 2022R2

背景/課題

当初水素キャリアとして想定されていたアンモニアは、それ自体も燃焼可能な物質であるため、カーボンフリー燃料として直接利用する試みが進められています。
しかしながら、アンモニアは天然ガスや重油などの炭化水素燃料とは燃焼速度やエミッションの排出様態が異なるため、燃焼器やバーナーなどを設計する際には従来とは異なった扱いが必要となります。
製品開発に必要な新たな知見を得るためには、実験的手法による検証が有効なのは言及するまでもありません。
しかし、コストの問題や、特に燃焼実験において内部の詳細な状態を把握することが難しいといった課題も存在します。
数値解析はより低コストでより詳細な対象の状態を把握でき、このような課題を補完するために大きな役割を果たすと考えられます。

解析対象および解析手法

解析対象

文献（1）に記載されたラボスケールの旋回燃焼器において、アンモニアを燃焼させた実験を対象として解析を行います。
焼器の概形図を図（1）に、実験条件を表（1）に示します。燃料と酸化剤は予混合状態で供給され、スワラーにより旋回成分を与えられます。

文献（1）：Akihiro Hayakawa, Yoshiyuki Arakawa, Rentaro Mimoto, K.D.Kunkuma A.Somarathne, TakuKudo and Hideaki Kobayashi, “Experimental investigation of stabilization and emission characteristics of ammonia/air premixed flames in a swirl combustor”, International Journal of Hydrogen Energy, Volume 42, Issue 19, 2017

解析手法

Ansys Fluentにより定常解析を行い平均場の温度、速度、化学種の分布を確認します。同様に非定常解析を行い、保炎性や乱流構造を確認します。

・定常解析
乱流平均場を想定した解析を行うため、レイノルズ平均ナヴィエ・ストークス方程式に乱流モデルとしてk-ω Share Stress Transport（SST）モデルを組み合わせ、燃焼モデルとしてFlamelet Generated Manifold（FGM）モデルを適用しました。この時、化学反応参照テーブル作成には文献（2）のアンモニア燃焼に対応した38化学種232反応の素反応モデルを用いました。

・非定常解析
瞬時の乱流場を想定した解析を行うため、空間フィルターを適用したナヴィエ・ストークス方程式にサブグリッドスケール乱流モデルとしてWALEモデルを組み合わせた解析を行いました。燃焼モデルは定常解析と同一です。また、渦や火炎面を効率的に解像するためAdaptive Mesh Refinement（AMR）機能を適用し、メッシュを自動的に細密化しております。

文献（2）：HisashiNakamura, MitsumasaShindo, Effects of radiation heat loss on laminar premixed ammonia/air flames, Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 37, 2019

解析の仕様

解析メッシュ

図（2）に定常解析、図（3）に非定常解析のメッシュを示します。
非定常解析には定常解析のメッシュにAdaptive Mesh Refinement（AMR）機能を適用し、メッシュを自動的に細密化しております。
ところどころ色が濃くなっている部分がAMRで細分化されています。

・定常解析

・非定常解析

境界条件と解析設定

図（4）に境界条件を示します。
燃焼室内にバルク速度3.14 m/s、温度 300 K、当量比１のアンモニア・空気予混合気を流入させ、出口を大気圧開放とします。
壁は全て断熱壁を仮定します。表（2）に定常解析と非定常解析の解析設定をそれぞれ示します。

解析結果

図（5）のa～dに、燃焼器中心軸を通る断面における速度分布、温度分布、アンモニア質量分率分布、HNO質量分率分布の定常解析結果をそれぞれ示します。
解析を行うと、燃焼器内部の流れの様相や高温部分の位置、燃料であるアンモニアの燃焼具合、アンモニアの火炎帯で生じる燃焼中間生成物であるHNOの発生位置などが把握できます。

また、図（6）に同じく定常解析にて、燃料の当量比のみを変化させたときの出口における排気のNO濃度を実験値と合わせて示します。
解析・実験の定性的な傾向は一致し、定量的にも当量比=1付近を除き大きく外れてはいない結果となっております。
このように、制限はありますが、解析を用いてNOX発生量を定性的に予測することもある程度は可能です。

図（7）a~cに非定常計算の結果得られた、燃焼器中心軸を通る断面における軸方向速度分布、HNO分布、温度分布の瞬時場をそれぞれ示します。
また、図（7）dに実験における火炎写真を示します。
図（7）aに示すように、スワラー下流に逆流領域が存在しており、この流れにより保炎されていることがわかります。
また、同図cより，定常解析では燃焼室内はほとんど同色で同温度でしたが、瞬間的にはムラがあることが見て取れます。
同図bとdを比較すると、HNOの分布と火炎の写真は定性的に似ています。
これはこの解析がある程度妥当性を持った結果を示していることを示唆しています。

図（8）に燃焼室内の温度で色付けした乱流渦の様子を示します。細かい渦が燃焼室内を旋回しながら出口へ流れているのが見て取れます。

図（８）　燃焼器内の乱流渦（動画）

解析結果の評価

本解析の効果

定常解析において、純アンモニア燃料に対し、RANSとFGMによる定常予混合燃焼解析を実施し、保炎して燃焼の定常解が得られること、NO排出濃度が実験値と定性的、一部定量的に一致することを確認しました。
非定常解析において、同燃料に対しLESとFGMによる非定常予混合燃焼解析を実施し、保炎して燃焼が継続すること、火炎の様子が実験写真と定性的に一致することを確認しました。
これらの解析結果から、Ansys Fluentを用いることにより、他の解析対象におけるアンモニア燃焼に対しても実用上有用な精度での解析を実施可能ということがわかりました。

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