問題 8

次の各文章の【1】～【15】の中に入れるべき最も適切な字句、数値、式又は記述をそれぞれの解答群から選び、その記号を答えよ。なお、【1】及び【6】は2箇所あるが、それぞれ同じ記号が入る。(配点計30点) (1) 液体燃料の量は体積で計量されることが多く、質量への換算のために密度の値は重要である。 通常、温度【 1 】[℃]における密度を[g/cm³]の単位で表したり、その値に極めて近い値として、【 1 】[℃]における密度と【 2 】[℃]の水の密度との比(比重)で表したりしている。 市販されている重油、軽油、灯油の3種の液体燃料のうち、一般に、密度が最も大きいのは【 3 】であり、密度が最も小さいのは【 4 】である。 また、これら3種の液体燃料の単位質量当たりの高発熱量の値には大きな差はなく、【 5 】[MJ/kg]程度である。

(2) 規定条件下で小さな炎を液体燃料の試料蒸気に近づけたとき、試料蒸気が閃光を発して瞬間的に燃焼し、かつ、その炎が液面上を伝播する試料の最低温度を【 6 】と呼ぶ。 重油の規格(JIS K 2205:2006)では、重油1種(A重油)についてその温度は【 7 】と規定されている。 軽油の規格(JIS K 2204:2007)においても【 6 】が規定されているが、その温度域は重油1種(A重油)の場合よりも【 8 】である。

(3) 液体燃料の噴霧燃焼のための微粒化とは、液体燃料を微細な油滴に粉砕して単位質量当たりの表面積を増加させるとともに、油滴を空間に分散させ燃焼用空気との混合を良好に行わせることである。噴霧粒子群の粒度分布は図のような粒数分布柱状図で描くことができる。粒子群中の粒子を粒径によってグループに分け、i番目のグループの中心粒径をdᵢ、そのグループに含まれる粒子の個数をΔnᵢ、粒子の総数をnTとしている。 ここで、噴霧粒子群の全体としての特性を代表するような平均的な粒径を考える。次の式①で表されるのは、いわゆる算術平均粒径dₘ₁である。 dₘ₁ = ΣdᵢΔnᵢ / nT ① 実際の噴霧バーナで形成される粒子群では小さい粒径の粒子の数が大変多いために、算術平均粒径はかなり小さい側の値になってしまい、粒子群の燃焼特性を代表する平均的な粒子径としては有用ではない。 そこで、噴霧粒子群の燃焼特性と関連付けて、粒子群の発熱量を特徴づける【 9 】の総和及び粒子群の蒸発・燃焼に要する時間を特徴づける【 10 】の総和を考慮した、次の式②で表される平均粒径dₘ₂がよく用いられている。 dₘ₂ = 【 11 】 ② このdₘ₂は【 12 】平均粒径と呼ばれている。 (図は省略)

(4) 気体燃料が円筒形の噴出管から静止空気中に鉛直上方に噴出され、安定した噴流拡散火炎が形成される場合を考える。ここで、噴出管の内半径をrₒ、気体燃料の噴出管出口での噴出流速をu𝒻、気体燃料の層流拡散係数(分子拡散係数)をDₗとする。 1) まず、噴出流速が小さく、流れ場が層流である場合について考える。 簡易的な解析によれば、火炎の長さl𝒻は、次の式③で表される。 l𝒻 ∝ u𝒻rₒ² / Dₗ ③ すなわち、Dₗはrₒやu𝒻に無関係で一定と考えられるから、噴出流速の小さい層流炎領域では、同じ噴出管を用いて噴出流速を変化させた場合、火炎の長さは【 13 】ことになり、これは実際の現象の傾向とよく一致している。 2) 一方、噴出流速が大きくなり、流れ場が乱流になった場合を考える。 その場合、式③で、層流拡散係数に代わって乱流拡散係数を使用することになる。乱流拡散係数は、概略として、流れ場の速度変動の大きさと渦のスケールの積に比例すると考えられ、速度変動の大きさは噴出流速に、渦のスケールは噴出管内半径に比例すると見なすことができる。 その結果、乱流炎領域では、同じ噴出管で噴出流速を変化させた場合、火炎の長さは【 14 】。また、内半径が異なる噴出管から同一の流速で燃料を噴出した場合、火炎の長さは【 15 】。