図3は高速度ビデオカメラで撮った浮遊鉄粒子群中を伝ぱする火炎の拡大画像の代表的な例である。この画像は、着火位置からほぼ球状に伝ぱする火炎の上方に伝ぱする部分を拡大観察した様子である。実験において照明は行っていないので、白く点状に写っているのは発光領域の中で、燃焼している高温粒子であると考えられる。これらの白い点のなかでも、点の輪郭がはっきり見えるものとぼやけて見えるものが存在する。ぼやけて見えるのは、観察用光学系のピント位置から前後にずれた位置に高温粒子が存在しているためと考えられる。火炎の伝ぱや構造を調べるためにはピント位置に存在する粒子だけを観察すればよい考えられるので、輪郭のはっきり見える点のみを観察した。発光している粒子の存在する範囲は3〜5mmの厚さがあり、時間とともにほぼ一定の速度で画面の上方に移動していることが分かる。発光の始まりは画像上でかなりシャープな線状の境界として観察され、発光の開始がかなり急激におこることを示唆している。発光領域の先端から1〜2mmの範囲内では、種々の大きさの粒子が発光していることが観察されるが、それより後方の位置では小さい粒子の発光が観察できなくなり、大きい粒子の発光のみが観察される。発光領域の終了部分では、この大きな粒子が突然見えなくなる。これは、燃焼反応終了後も大きな粒子が残っていることを示していると考えられる。つまり、発光領域終了部分で、粒子が小さくなって燃え尽きるという状況が発生していないことを示しており、火炎の伝ぱ機構や火炎構造を解明する上で重要な結果であると言える。

Fig.3 Series of photomicrographs of flame propagation through an iron particle cloud.Sample:iron particle(II):particle concentration:l.05kg/m³

　浮遊鉄粒子群中を伝ぱする火炎の伝ぱ機構を解明するために、火炎近傍での粒子の挙動、粒子濃度分布の解明は非常に重要である。本研究では、浮遊鉄粒子群中を伝ぱする火炎近傍での粒子のレーザー散乱光画像を撮影した。図4に示した各写真の上の部分にある緑の発光点は粒子のレーザー散乱光画像で、下の部分にある黄色の発光点は燃焼している鉄粉粒子である。これらの写真により、火炎近傍の粒子の運動状態を詳細に解析した。得た結果を図5に示す。図5の横軸は粒子の移動速度("-"の意味は粒子の運動方向は下向き、火炎の伝ぱ方向と逆)で、縦軸は粒子から発光領域の先端までの距離(発光領域先端の前方は"+"、後方は"-"とする)である。図5により、次のことが分かる。粒子群濃度は0.93kg/m³の鉄粉Iに対して、発光領域先端までの距離が12mmより大きいと、粒子の移動速度はほぼ一定で、-12.5cm/sの速度で大炎に向いて移動している。約12mmのところで、粒子が加速され、その加速度の方向は火炎の伝ぱ方向と一致する。約6.5mmのところで粒子の移動方向は下向きから上向きに転向し、この時の粒子の加速度は最大になる。その後、粒子は発光領域と違う速度で同一方向へ移動し、発光領域に入る直前にその移動速度は最大になる。発光領域に入った後すぐ燃焼し始め、強く発光し、その移動速度はだんだん低下していく。発光領域の先端から約-5mmのところで、粒子の移動方向は上向きから下向き転向する。この条件では、火炎の伝ぱ速度は約30cm/sで、粒子の最大移動速度は約19.5cm/sである。鉄粉II対してもほぼ同じ傾向の結果を得た。

Fig.4 Photomicrographs of laser scattering images representing flame propagation through an iron particle(II)cloud; Framing rate: 1,000frames/s;Particle concentration:1.05kg/m³.

Fig.5 Particle velocity changes with the distance x.The particle concentrations are 0.93kg/m³ for iron particle(I)and 1.05kg/m³ for iron particle(II).

　火炎近傍での粒子の速度分布により、粒子の濃度分布が生じた。本研究では、図4の粒子の高速度レーザー散乱光画像により、火炎近傍での粒子の数密度Nを測った。図6に示したのは浮遊鉄II粒子群中を伝ぱする火炎近傍での粒子数密度の比N/N_mと発光領域先端までの距離の関係である(N_mは発光領域先端から遠く離れた場所x>11.0mmのところの粒子数密度である)。図6より、次のことが分かった。発光領域先端までの距離が11.0mmより遠い場合には、粒子の濃度は距離xに依存せず一定である。距離x＝11.0mmのところで、粒子の濃度が増加し始め、発光領域に入る直前で粒子の濃度が最高になる。一方、火炎近傍での粒子の速度分布の測定値を用いて火炎近傍での粒子の数密度の比を計算した。測定した結果と計算した結果はほぼ一致することが図6により分かった。

Fig.6 Relationship between the distance x and the ratio of number density N/N_m of iron particle.

　火炎の伝ぱ速度は発光層の先端の移動速度として測定することができる。測定した浮遊鉄粒子群中を伝ぱする火炎の速度と鉄粉の粒径、濃度との関係を図7に示す。図7より、粒径が小さいほど、火炎の伝ぱ速度が速いということが分かった。粒子の大きさにかかわらず、鉄粒子群の濃度が低い時、その増加につれて火炎の伝ぱ速度が増加し、ある濃度で最大となる。その後、鉄粒子群の濃度の増加につれて、火炎の伝ぱ速度はだんだん減少する。本研究で測定した火炎の伝ぱ速度が最大になる時の鉄粒子群の濃度は、粒子の大きさによって少し差があり、鉄粉Iの場合では約1.02kg/m³で、鉄粉IIの場合では約0.90kg/m³である。対応する火炎の最大伝ぱ速度は約35cm/sと27cm/sである。また、火炎が伝ぱできる鉄粒子群の下限濃度も鉄粉の粒径によって違う。平均粒子の大きい鉄粉IIの方は火炎が伝ぱできる下限濃度が高かった。実験で得た下限濃度の値は、鉄粉Iでは約0.47kg/m³で、鉄粉IIでは約0.56kg/m³であった。

Fig.7 Relationship between flame velocity and concentration of iron particle.

　発光領域近傍での温度分布及び気相の最高温度はR型の熱電対(Pt/Pt-Rh13%、素線の直径は20mである)を用いて測定した。測定した発光領域近傍での温度分布を図8に示す。図8の中の実線は実際に測定した温度分布のデータで、破線は熱電対の時定数を考慮して補正した後の温度分布である。図8より、次のことが分かった。気相の温度は発光領域の前方約6mmのところで徐々に上昇し始め、約3mmのところで温度が急に上昇する。発光領域が熱電対の接点のところに到着する時、気相の温度は約900Kである。発光領域に入っても気相の温度が引き続き上昇し、発光領域終了のところで、気相の温度が最高となる。その後気相の温度は熱損失により徐々に下がっていく。

Fig.8 Temperature distribution near the luminous zone.

　図9に示したのは測定した最高温度と火炎の伝ぱ速度の関係である。両者の間に直線関係が存在することが分かる。この結果より次のことが推定できる。浮遊鉄粒子群中を伝ぱする火炎に対しては燃焼領域及び既燃領域から未燃領域への熱輸送は伝導伝熱が支配的であると考えられる。つまり、この場合では、熱輻射はあまり効いていないということが分かった。

Fig.9 Relationship between flame velocity and flame temperature.