反応性流体力学特論
－燃焼流れの力学－
燃焼の流体力学 6/2
火炎モデル 6/9,16
流れの基礎方程式 (1)
• 流れのﾊﾟﾗﾒｰﾀｰ
流体
度
～密度変化、温度変化の影
乱流
（
ﾏｲｸﾛ
・衝撃波
車、船
）
ﾏｼﾝ
– クヌッセン数(Kn)
～分子運動 vs. 流体運動
寸法 （log）
（分子運動長） /（寸法）
・希薄気体
←
密
～流れの不安定、乱れ
宇宙船
度
変
・乱流
航空機 化
速
log
– レイノルズ数(Re)
（寸法）×（速度）
（粘度）
– マッハ数(Ma)
響
（速度）／（音速）
分子
流れの基礎方程式 (２)
ナビエ・ストークス方程式
質量保存
(連続の式)
運動量保存
ｴﾈﾙｷﾞｰ
保存
状態方程式
u j

ρ
 uj

t
x j
x j
u j
p
ui


  u j
 xi
t
x j


I


2

S
ij
ij   Fi

3

u j
  T 
T
T

cv
  cvu j
 k
    Q
p
t
x j
x j x j  x j 
p  RT


x j
流れの基礎方程式 (３)
流れの基礎式 －無次元化
*
u *j
 L  *
* 
*
 u j *  


*
t
U

t

x

x
0 
j
j
*
*
 1 I *  2u * 
*

u
 L  * u i




p

p


* *
0
i
i 



u




j





*
*
2
*
*
*2 
t
U

t

x

U

x

UL
3

x


j
i

x
0 
 0 
 0 
i
j

i
 L  * * T *
 p0  * *  k   2T *     U 2  *
 

 c v
p I 
 *2  


t
 t0U 
 0cvT0 
 0cvUL  x j
 0UL   cvT0 
p*  *T *
流れの基礎方程式 (４)
流れの無次元パラメータ
 L 

  St (Strouhal数)
 t0U 
 p0  0 RT0
  1


 0cvT0  0cvT0
a 20
 p0 
1



2
2
2

U

U

M
 0 
 k  1
1





c
UL
 0 v  P e Re  P r
(M:Mach数, k:比熱比)
   1


(Reynolds数)

UL
Re
0


（Pe:Peclet数、Pr:Prandtl数)
U2 
2

    1M
 cvT0 
反応流れの基礎式
連続の式
運動量の式
エネルギー式
＋
状態方程式
＋
化学種の式
アレニウス則
化学反応
 fu
 E  Y fu 
 fu   B exp 

 RT  M fu 
 ox
 Yox 


 M ox 
状態方程式
p  RT W ,
p  Ct RT 
W   Ct  W C Ct  W X
RT
W X 
 RT  Y W
Ci：化学種 i のモル濃度［mol m-3］
Ct：混合ガスのモル濃度［mol m-3］
Wi：化学種 i の分子量
W：混合ガスの平均分子量
Yi ：化学種 i の質量分率
Xi ：化学種 i のモル分率
R：普遍気体定数
化学種の輸送方程式

    V    
t
Y
   Y V    
t

Y   
v d  V
V

 V ; V 
DY
Y
    V  Y    Y v d    
Dt
t
convection
diffusion
Y v d  D Y
DY
Y
  
   Y V     D Y    
Dt
t
＝  ,

  0, Y V   0
d
Fick’s law
D 

Sc
D 

    v   0
Dt
t
化学種の輸送方程式
モル分率の勾配
X   
X  Y

D
v   v   Y  X   p
p
X 
Y W
 Y W

X  Y  DT DT  T


  Y Y f  f    


p 
Y  T
 D  Y

２成分の場合
2

DT ,1 T 
Y1Y2
p Y1Y2  


Y1  X 1  
f1  f 2  
Y1 v1   D12 Y1 

X
X
p
X
X
p

D
T


1 2
1 2
T ,2


Fick’s law
Y Y v   v   Y Y Vd  Vd   Y Y Vd   Y Y Vd   Y  Y  Y Vd 
 Y Vd
1
エネルギーの輸送方程式
De
  p  v    q    Y f  v    Q
内部エネルギー 
Dt
DT Dp
C p

   q    Y f  v    Q
エンタルピー
Dt
Dt
 X  DT ,
q  T    h Y v   

   m D
化学ｴﾝﾀﾙﾋﾟｰ流束
ﾌ-ﾘｴ則
低Ma 近似

Dufour 効果
Dp p
dp


 v  p 
Dt t
dt
p  0

dh   h dY  c p , dT 


v  v  


dp

,
T
h  h   c p , dT

T0

h
   Q reac. ：Heat release by chemical reaction
熱・物質移動に関係する無次元数
• Nusselt数
• Prandtl数
h
Nu 
L

Pr 

• Schmidt数 Sc 
• Lewis数
Le 

D

D
h：熱伝達係数
：熱伝導率
ν：動粘性係数
D：物質拡散係数
α：温度拡散係数
化学反応に関係する無次元数
tr
• (第１)Damköhler数 D 
tc
• Karlovits数 K 
 dU
tr：流れの特性時間
tc：反応の特性時間
予熱帯厚  
U dy
燃焼速度：S
• 乱流Damköhler数
ｌ ：乱流長さスケール
u’：速度変動、δ: 火炎厚さ
tt  S
Da  
t c u' 

c p S


S

スライド 1

スライド 1 - 北海道大学工学部

1章 化学の基礎概念 - 公立大学法人 北九州

辰巳怜1，小池修3， 辻佳子 1,2，山口由岐夫3