廣光永兆 研究室

航空エンジンなどに代表される内燃機関では、燃料を効率よく運用するために液体化した燃料を用います。
液体燃料を燃焼器内で燃焼させるためには、微粒化（細かい微粒子にすること）して、気化させながら酸化剤と混合する必要があり、その状態が燃焼状態を左右するため、微粒化状態が燃焼性能の大部分を決めるといっても過言ではありません。
この研究では、燃料の微粒化を任意に制御し、良好な状態を形成するために、音波を中心とした振動のエネルギーを利用する方法を提案することを目的としており、その成果を「燃料噴射弁」という燃焼器の要素に反映することを、目標としています。
主な調査対象は、以下です。
　○液膜形成への影響
　○液膜、液柱、液滴分裂への影響
　○微粒化状態の評価・計測方法の確立

ジェットエンジンの主要騒音は高バイパス化に伴い、「ジェット騒音」から「ファン騒音」に遷移してきています。ファン騒音は減衰しにくい低周波数域の騒音であり、最も大きくなるのが離着陸時の時であるため、近隣住宅に対する騒音の影響が問題視されています。

この「ファン騒音」を低減する取り組みの一つとして、現在のジェットエンジンのファンダクト内には、ヘルムホルツ共鳴の原理を用いた吸音装置（吸音ライナ）が使用されており、10dB以上の高い吸音効果を発揮しています。

一方で、ファンダクト内の壁面には無数の丸い微小な孔が設置されることになり、ターボファンエンジンのバイパス流に対して圧力損失が発生します。バイパス流は高バイパスターボファンエンジンにおける推力となるものであるため、バイパス流への影響の少ない、低圧力損失でかつ高い吸音効果を持つヘルムホルツ型吸音装置の開発が求められています。
　本研究では、ヘルムホルツ共鳴を利用した吸音構造の圧力損失の発生個所や要因を詳細な可視化実験およびCFD解析により特定し、独自の低圧力損失構造の提案を目指します。（JAXAとの共同研究）

カーボンニュートラルの実現のために、熱機関の高効率化と低公害化のために最適化された「燃焼器」の開発は非常に重要ですが、一方で、その現象の複雑さからこれまで付加価値の高い燃焼器の概念設計を後発のメーカや研究機関が独自で行うことは難しい状況でした。
本研究では、燃焼器の概念設計のアプローチを大きく変え、目標に対して最適な現象履歴を見出せるツールを開発、構築することで、これまでにない性能（価値）を創出可能にするとともに、カーボンフリー燃料（水素やアンモニアなど）やバイオ系燃料などの新しい燃料へ対応できるようにすることを目標としています。
具体的には、燃焼器内部で生じる条件および現象を、ラグランジュ的視点によるいくつかのモデル（モジュール）に変換し、それらのモジュールの組み換えの自由度を向上させることで、様々な組み合わせパターンの検討を可能にし、従来とは違う概念の基本設計を行えるツールの構築です。
さらには、これらの組み合わせパターンを機械学習等を利用して最適化する機能を実装することで、より多様で新時代に適用可能な燃焼器の創出に寄与します。

本研究では、電磁波（マイクロ波）の特性を利用し、制限の多い航空エンジン内における液体燃料の着火性能を向上させることで、最適な燃焼状態を得られやすくすることを目的としています。
利用するマイクロ波の特性として、以下を検討しています。
　○金属表面への放射による放電現象の発生
　○誘電加熱による燃料の昇温