廣光永兆 研究室

カーボンニュートラルの実現のためには、熱機関の高効率化と低公害化のために燃料の性状に最適化された「燃焼器（化学エネルギーを動力等に利用可能な熱エネルギーに変換する装置）」の開発は非常に重要な課題と言えます。
　特に、カーボンを全く含まない水素やアンモニアなどの燃料は、これまで広く使用されてきた炭化水素燃料と化学反応の種類や速さなどが大きく異なり、燃料を十分に燃やしきるために必要な時間や有害排出物の生成量などがこれまでの燃焼器設計の知見では対応できないことが、非常に多くなっています。
　また、一方で、炭化水素燃料は単位質量あたりの発熱量や密度など、長距離かつ高速の移動のエネルギー源として非常に優秀なため、航空機用途としては、これからも長期にわたり使用し続けられることが予想されています。さらに、バイオ系燃料やe-fuelなど、二酸化炭素排出をキャンセル可能な燃料も登場しており、引き続きこれらの燃料に対応する燃焼器の開発も必要であると考えられます。

　燃焼に関係する現象は複雑かつ多岐にわたり、これまでは実績（データベース）に乏しい後発のメーカや研究機関が付加価値の高い燃焼器の概念設計を独自で行うことは難しい状況でした。しかし、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の履歴の提案を行い、現象をハード設計に落とし込む方法により、その大きな壁を乗り越えられると考えています。

　本研究では、燃焼器の目標性能に対して、最適な現象の履歴を見出すツールを開発、構築することで、これまでにない性能（価値）を創出可能な燃焼器の原型を提案し、さらにカーボンフリー燃料（水素やアンモニアなど）、バイオ系燃料などの新しい燃料を含む多種多様な燃料群への対応を可能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現象の過程を、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換の自由度を向上させることで、様々なパラメータの組み合わせパターン検討が可能なツールの構築を行っています。このツールに、遺伝的アルゴリズムを組み込んだ最適化手法を適用することで、従来のデータベース基準では創出できない燃焼器の提案を行うとともに、機械学習等を利用して、効率的な最適化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たいと考えています。

※本研究は、2022年度より科学研究費助成事業（学術研究助成基金助成金）の助成を受けて実施しています（JSPS科研費課題番号 JP 22K03970）。また，本研究に使用している素反応計算モジュールには乱流燃焼解析コード「CHARIOT」の機能の一部を利用し、本研究向けのコードの変更についてはJAXA航空技術部門との共同研究の成果を用いています。

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）

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

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