JP3369086B2 - Vibration combustion analysis method and apparatus and recording medium - Google Patents
Vibration combustion analysis method and apparatus and recording mediumInfo
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Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、燃焼装置の設計段
階で振動燃焼が発生するか否かを解析する振動燃焼解析
方法及び装置、並びに、そのような解析手法をコンピュ
ーに実行させるためのプログラムを記録したコンピュー
タ読み取り可能な記録媒体に関する。さらには、そのよ
うな振動燃焼解析方法を用いる燃焼装置の設計方法と製
造される燃焼装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an oscillating combustion analysis method and apparatus for analyzing whether or not oscillating combustion occurs in the design stage of a combustion apparatus, and a program for causing a computer to execute such an analysis method. The present invention relates to a computer-readable recording medium in which is recorded. Furthermore, the present invention relates to a method for designing a combustion apparatus using such an oscillatory combustion analysis method and a combustion apparatus manufactured.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃焼装置に対する低ＮＯx 化や高負荷化
の要求が高まるなか、予混合燃焼がこれらの課題を達成
できる有効な燃焼方法として注目されている。しかし、
予混合燃焼を採用する際に振動燃焼が問題となることが
多く、この振動燃焼は、大きな騒音を伴うばかりでな
く、燃焼自体を不安定にする要因となる。そのために、
振動燃焼の抑制が大きな課題となっているが、その防止
対策には経験的な技術にたよるほかなく、汎用的な技術
は存在しないのが現状である。通常、燃焼装置を試作し
て実際に運転を行い、振動燃焼が発生した場合に、従来
の経験に踏まえて改造を加えていくのが普通であり、燃
焼装置の設計上、大きなネックとなっている。2. Description of the Related Art With the increasing demand for lower NOx and higher load in a combustion device, premixed combustion is drawing attention as an effective combustion method that can achieve these problems. But,
Oscillating combustion often becomes a problem when adopting premixed combustion, and this oscillating combustion not only causes a large amount of noise, but also causes instability of the combustion itself. for that reason,
Although suppression of oscillatory combustion has become a major issue, the current situation is that there is no general-purpose technology other than relying on empirical technology to prevent it. Usually, a combustion device is prototyped and actually operated, and when oscillating combustion occurs, it is usual to modify it based on previous experience, which is a big bottleneck in the design of the combustion device. There is.
【０００３】振動燃焼をコンピュータを用いて解析しよ
うとする試みがなされつつあり、例えば、特開平８−２
１０６３５号公報には、少なくとも燃焼装置の形状とそ
の燃焼装置内の音速度と混合気密度とを入力データとし
て入力する入力手段と、前記入力データに基づいて燃焼
装置の固有振動数を求め、該固有振動数に対する燃焼装
置内の圧力分布あるいは速度分布を求める演算手段と、
燃焼装置内の火炎の位置と前記演算手段により求められ
た圧力分布あるいは速度分布とから所定の判断基準に基
づいて、当該燃焼装置について振動燃焼が発生するかど
うかを解析する解析手段とを備えた振動燃焼解析装置が
提案されている。Attempts have been made to analyze oscillatory combustion using a computer, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 8-2.
No. 10635 discloses an input means for inputting at least a shape of a combustion device, a sound velocity in the combustion device, and a mixture density as input data, and a natural frequency of the combustion device is obtained based on the input data. Calculating means for obtaining pressure distribution or velocity distribution in the combustion device with respect to natural frequency;
Based on a predetermined criterion from the position of the flame in the combustion device and the pressure distribution or velocity distribution obtained by the calculation means, there is provided an analysis means for analyzing whether or not oscillating combustion occurs in the combustion device. A vibration combustion analysis device has been proposed.
【０００４】[0004]
【発明が解決しようとする課題】前記の振動燃焼解析装
置はコンピュータにより振動燃焼の発生を解析しようと
するものであり、燃焼装置の設計に際して有意に機能す
るものと解されるが、通常の生成項のない波動方程式の
みを基礎方程式として用いることから、振動燃焼現象を
正確に表現しているとはいいがたい一面を持つ。また、
解析モデルは一次元が前提となり、複雑な形状を解析す
ることは必ずしも容易でない。さらに、火炎の伝達関数
を入力する解法を取るものの、火炎の位置だけしか変化
させることができず、火炎を領域として設定することは
できない。また、振動燃焼が発生するかどうかの判断基
準としてレーリーの発振条件式を用い、条件式が正のと
きは振動発生と推測し、負のときは振動が発生しなしと
いう予測法を用いているが、最近の報告によれば、実機
において発振条件が正であっても振動が発生しない場合
があることが報告されている（第３４回燃焼シンポジウ
ム論文集「振動燃焼に関する研究〜モデル燃焼装置によ
る測定と解析〜」）。The above-mentioned oscillatory combustion analysis device is intended to analyze the occurrence of oscillatory combustion by a computer, and it is understood that it functions significantly when designing a combustion device. Since only the wave equation without terms is used as the basic equation, it is difficult to say that the oscillatory combustion phenomenon is accurately represented. Also,
Since the analysis model is based on one dimension, it is not always easy to analyze a complicated shape. Further, although the solution method of inputting the flame transfer function is adopted, only the flame position can be changed, and the flame cannot be set as a region. In addition, Rayleigh's oscillation conditional expression is used as a criterion for determining whether oscillating combustion occurs, and when the conditional expression is positive, it is assumed that vibration occurs, and when it is negative, a prediction method that vibration does not occur is used. However, according to a recent report, it has been reported that the vibration may not occur in the actual machine even if the oscillation condition is positive (The 34th Combustion Symposium Paper "Study on Oscillation Combustion-By Model Combustor" Measurement and analysis ~ ").
【０００５】本発明の目的は、燃焼装置の設計段階で、
振動燃焼の発生をより正確に予測することができ、か
つ、複雑な形状の解析モデルであっても的確に振動燃焼
の発生を予測することのできる、振動燃焼解析方法及び
装置、並びに、そのような解析手法をコンピューに実行
させるためのプログラムを記録したコンピュータ読み取
り可能な記録媒体を提供することにある。また、そのよ
うな振動燃焼解析方法を用いた燃焼装置の設計方法、及
びその設計方法により製造される燃焼装置を提供するこ
とにある。It is an object of the present invention to design a combustion device,
Oscillation combustion analysis method and device capable of more accurately predicting occurrence of oscillatory combustion, and capable of accurately predicting occurrence of oscillatory combustion even with an analytical model having a complicated shape, and such It is to provide a computer-readable recording medium in which a program for causing a computer to execute various analysis methods is recorded. Another object of the present invention is to provide a method for designing a combustion device using such an oscillating combustion analysis method, and a combustion device manufactured by the design method.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する本
発明による振動燃焼解析方法は、振動燃焼現象を、火炎
が存在する領域を支配する生成項を含む波動方程式（式
１）と、その他の領域を支配する生成項を含まない波動
方程式（式２）の２つの基礎方程式で記述し、該２つの
基礎方程式を有限要素法を用いて同時に解くことによ
り、解析モデルでの任意の地点における音圧の周波数応
答結果を得ることを特徴とする。The oscillating combustion analysis method according to the present invention, which solves the above-mentioned problems, describes the oscillating combustion phenomenon as a wave equation (equation 1) including a generating term that governs a region where a flame exists, and other factors. Is described by two fundamental equations of the wave equation (equation 2) that does not include a generating term that governs the region of, and the two fundamental equations are simultaneously solved using the finite element method, so that at any point in the analytical model It is characterized by obtaining a frequency response result of sound pressure.
【０００７】 [0007]
【０００８】なお、ここで、ω：周波数、ｐ：圧力変
動、ｃ：音速、Ｒ：ガス定数、Ｃｖ：定容比熱、ｑ：熱
発生速度である。好ましくは、式１及び式２を解くに当
たって、式１におけるｑを、
ｑ（ω，ｐ）＝ＴＦ（ω，ｐ）・ｐ（ω）・・・式３
のように仮定し、火炎の動的特性を圧力と周波数の関数
として表現したこの伝達関数ＴＦ（ω，ｐ）データを式
１に代入して解くことにより、実際の燃焼装置での振動
燃焼現象を数値計算により解析する。Here, ω is frequency, p is pressure fluctuation, c is sound velocity, R is gas constant, Cv is constant volume specific heat, and q is heat generation rate. Preferably, in solving Equations 1 and 2, q in Equation 1 is assumed to be q (ω, p) = TF (ω, p) · p (ω) ... By substituting the transfer function TF (ω, p) data, which expresses the dynamic characteristics as a function of pressure and frequency, into the equation 1 and solving it, the oscillatory combustion phenomenon in the actual combustion apparatus is analyzed by numerical calculation.
【０００９】この発明によれば、解析モデルの任意の地
点での音圧の周波数応答結果を得ることができるため、
その結果に顕著なピーク成分があれば振動燃焼が発生す
ることを、また、なければ振動燃焼が発生しないこと
を、明確に予測できる。さらに、そのピークのレベルを
定量的に評価できるため、解析結果のピークレベルが大
きければ大きいほど振動燃焼が発生しやすいという判定
ができる。さらに、複数の火炎の伝達関数を燃焼装置内
の任意の領域に定義できるため、その異なる伝達関数の
間での相互作用を評価することができ、異なる形状の火
炎を配置したときに振動燃焼が発生するかどうかも、同
様にして判定することができる。According to the present invention, it is possible to obtain a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point of the analytical model.
It can be clearly predicted that oscillating combustion will occur if the result has a significant peak component, and that oscillating combustion will not occur if it does not. Furthermore, since the level of the peak can be quantitatively evaluated, it can be determined that the higher the peak level of the analysis result, the easier the oscillatory combustion occurs. In addition, the transfer functions of multiple flames can be defined in any region of the combustor, so the interaction between the different transfer functions can be evaluated, and oscillating combustion can occur when flames of different shapes are placed. Whether or not it occurs can be determined in the same manner.
【００１０】顕著なピーク成分がある場合に、バーナの
設計変更あるいは燃焼装置の形状の変更を行って設計仕
様を変更し、数値計算による解析を繰り返す。それによ
り、振動燃焼の発生を抑えた、燃焼装置形状、バーナ形
状の改良後の設計仕様が得られる。そして、その設計仕
様により燃焼装置を製造することにより、振動燃焼のな
い燃焼装置を得ることができる。When there is a remarkable peak component, the burner design is changed or the shape of the combustion device is changed to change the design specifications, and the analysis by numerical calculation is repeated. This makes it possible to obtain improved design specifications of the combustion device shape and burner shape that suppress the occurrence of oscillatory combustion. Then, by manufacturing the combustion device according to the design specifications, it is possible to obtain a combustion device without oscillatory combustion.
【００１１】本発明は、また、少なくとも燃焼装置の形
状とその燃焼装置内の音速、混合気密度、バーナ上の火
炎の領域とを入力する入力手段と、火炎の動的特性を圧
力と周波数の関数として表現した伝達関数データのメモ
リー部と、前記入力データと伝達関数データに基づい
て、火炎が存在する領域を支配する生成項を含む波動方
程式と、その他の領域を支配する生成項を含まない波動
方程式の２つの基礎方程式を有限要素法を用いて同時に
解析して、解析モデルでの任意の地点における音圧の周
波数応答結果を得る解析手段と、前記解析結果を保存す
る手段とを備え、好ましくは、さらに、前記解析結果か
ら、音圧の周波数応答結果にピークがあるか否かを判断
する判断手段、あるいは、ピークレベルを定量的に評価
する手段とを備えてなることを特徴とする振動燃焼解析
装置も提供する。さらに、上記のような振動燃焼解析手
順をコンピュータに実行させるためのプログラムを記録
したコンピュータ読み取り可能な記録媒体をも開示す
る。The present invention also provides an input means for inputting at least the shape of the combustion apparatus, the speed of sound in the combustion apparatus, the mixture density, and the area of the flame on the burner, and the dynamic characteristics of the flame as pressure and frequency. Based on the input data and the transfer function data, the memory part of the transfer function data expressed as a function, the wave equation including the generation term that controls the area where the flame exists, and the generation term that controls the other areas are not included. And a means for simultaneously analyzing two basic equations of the wave equation using the finite element method to obtain a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in the analytical model, and a means for storing the analysis result, Preferably, it further comprises a judging means for judging whether or not there is a peak in the frequency response result of the sound pressure from the analysis result, or a means for quantitatively evaluating the peak level. Also provided oscillating combustion analyzer according to claim Rukoto. Furthermore, a computer-readable recording medium in which a program for causing a computer to execute the above-described oscillatory combustion analysis procedure is recorded is also disclosed.
【００１２】[0012]
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図１（Ａ）に示す形状の軸対象燃焼装置において
振動燃焼が発生するかどうかについて、図１（Ｂ）に示
す解析モデルを用いて数値解析する場合を例にとり説明
する。この燃焼装置は、燃焼室１の直径１００ｍｍ、長
さ４０８ｍｍ、バーナ２の直径１２ｍｍ、長さ３５ｍ
ｍ、混合室３の直径６５ｍｍ、長さ４５０ｍｍであり、
バーナ２の周囲には冷却水４を循環させて水冷してい
る。燃焼は天然ガスと空気との予混合燃焼である。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION A preferred embodiment of the present invention will now be described with reference to an analytical model shown in FIG. 1 (B) for determining whether or not oscillating combustion occurs in an axial symmetric combustion device having the shape shown in FIG. An example will be described in which numerical analysis is performed using. This combustion device has a combustion chamber 1 having a diameter of 100 mm and a length of 408 mm, a burner 2 having a diameter of 12 mm and a length of 35 m.
m, the diameter of the mixing chamber 3 is 65 mm, and the length is 450 mm,
Cooling water 4 is circulated around the burner 2 for water cooling. Combustion is a premixed combustion of natural gas and air.
【００１３】解析モデルにおいて、バーナ２を水冷して
いることから、バーナより上流への熱伝導は少ないと仮
定して、混合室３内の温度は２８８Ｋと設定した。さら
に、燃焼装置外部にも計算領域を設け、その境界に無限
境界条件を定義することで、燃焼装置からの音響エネル
ギの散逸を考慮した。また、初期条件として混合室下部
に微小な圧力変動（０．１ｍＰａ）を与えた。In the analysis model, since the burner 2 is water-cooled, it is assumed that the heat conduction to the upstream of the burner is small, and the temperature in the mixing chamber 3 is set to 288K. Furthermore, the calculation area is set outside the combustion device, and the infinite boundary condition is defined at the boundary to consider the dissipation of acoustic energy from the combustion device. In addition, a small pressure fluctuation (0.1 mPa) was applied to the lower part of the mixing chamber as an initial condition.
【００１４】数値解析に当たり、次のような前提を立て
た。すなわち、振動燃焼現象は、熱流体を支配する保存
式と状態方程式から理論的に導かれる、下記の式１に示
す生成項を含む波動方程式と、式２に記す生成項を含ま
ない波動方程式の２つの基礎方程式によって記述される
べきであり（なお、式１右辺のｑは火炎から発生する単
位体積あたりの熱発生速度である）、その際に、図２に
示すように、火炎の存在する領域は前記式１により記述
され（なお、式１右辺の生成項は音源として作用するも
のである）、一方、その他の領域は、音源である火炎が
存在しない領域であるため、式２のような右辺に生成項
を含まない基礎式によって記述される。The following assumptions were made in the numerical analysis. That is, the oscillating combustion phenomenon includes a wave equation including a generating term shown in the following Equation 1 and a wave equation not including the generating term shown in Equation 2, which is theoretically derived from the conservation equation governing the thermal fluid and the equation of state. It should be described by two basic equations (note that q in the right-hand side of Equation 1 is the heat generation rate per unit volume generated from the flame), and at that time, as shown in FIG. The region is described by the above equation 1 (note that the generation term on the right side of the equation 1 acts as a sound source), while the other region is a region in which no flame, which is the sound source, exists, It is described by a basic expression that does not include a generator on the right side.
【００１５】 [0015]
【００１６】なお、ここで、ω：周波数、ｐ：圧力変
動、ｃ：音速、Ｒ：ガス定数、Ｃｖ：定容比熱、ｑ：熱
発生速度である。上記の前提のもとに振動燃焼を数値解
析するためには、式１と式２を同時に解くことが必要と
なる。しかし、式１は、ｐとｑの式であるため、このま
まで解くことはできない。そこで、式１におけるｑがｐ
で現されるとして、次の式３のように仮定する。
ｑ（ω，ｐ）＝ＴＦ（ω，ｐ）・ｐ（ω）・・・式３Here, ω is frequency, p is pressure fluctuation, c is sound velocity, R is gas constant, Cv is constant volume specific heat, and q is heat generation rate. In order to numerically analyze oscillating combustion under the above assumption, it is necessary to solve equations 1 and 2 at the same time. However, since Equation 1 is an equation of p and q, it cannot be solved as it is. Therefore, q in Expression 1 is p
The following equation 3 is assumed. q (ω, p) = TF (ω, p) · p (ω) ... Equation 3
【００１７】ここで、ＴＦ（ω，ｐ）は伝達関数と呼ば
れるものであり、火炎に伝播してくる圧力変動ｐに対し
て、熱発生速度変動ｑがどのような増幅率及び位相遅れ
を持つかを記述した関数である。この伝達関数ＴＦ
（ω，ｐ）を式１に代入して解くことで、実際の燃焼装
置での振動燃焼現象を数値計算により解析することが初
めて可能となる。Here, TF (ω, p) is called a transfer function, and what kind of amplification factor and phase delay the heat generation rate fluctuation q has with respect to the pressure fluctuation p propagating to the flame. Is a function that describes This transfer function TF
By substituting (ω, p) into Equation 1 and solving it, it becomes possible for the first time to analyze the oscillatory combustion phenomenon in an actual combustion device by numerical calculation.
【００１８】前記伝達関数ＴＦ（ω，ｐ）を求める手法
は任意であるが、例えば、図３に示すような高速度カメ
ラを使用した可視化手法を用いることは有効である。図
において、１０は燃焼装置であり、混合気供給管下端に
設置したスピーカ１２により混合気に強制的に微少な圧
力変動を与え、また、バーナ炎口の直上に熱線プローブ
とプローブ型マイクロフォンを配置して流速変動と圧力
変動を測定する。そして、スピーカ１２による加振周波
数ごとに火炎面Ｆの挙動を高速度ビデオカメラ１３を用
いて撮影し、その二値化画像を解析することにより、熱
発生速度変動を測定する。それらをもとに、圧力、流
速、熱発生速度の時間波形、及び、流速に対する熱発生
速度の遅れ時間を得、それらから、圧力変動と熱発生速
度との伝達関数ＴＦ（ω，ｐ）を求める。The method of obtaining the transfer function TF (ω, p) is arbitrary, but it is effective to use a visualization method using a high speed camera as shown in FIG. 3, for example. In the figure, 10 is a combustion device, forcing a slight pressure fluctuation in the air-fuel mixture by a speaker 12 installed at the lower end of the air-fuel mixture supply pipe, and arranging a heat ray probe and a probe-type microphone directly above the burner flame port. Then, the flow velocity fluctuation and the pressure fluctuation are measured. Then, the behavior of the flame surface F is photographed using the high-speed video camera 13 for each excitation frequency of the speaker 12, and the binarized image is analyzed to measure the heat generation rate fluctuation. Based on them, pressure, flow velocity, time waveform of heat generation rate, and delay time of heat generation rate with respect to flow rate are obtained, and from them, a transfer function TF (ω, p) between pressure fluctuation and heat generation rate is obtained. Ask.
【００１９】上記で求めた伝達関数ＴＦ（ω，ｐ）を基
に、前記基礎式１と基礎式２とを有限要素法を用いて計
算し、解析モデルの任意の地点における音圧の周波数応
答結果を得る。図１（Ｂ）において、（ｂ）領域は生成
項を含まない波動方程式（式２）で支配される領域であ
り、（ｃ）は火炎が存在する領域であつて生成項を含む
波動方程式（式１）で支配される領域である。また、
（ｄ）は初期条件として微小な圧力変動（０．１ｍＰ
ａ）を与えた領域である。Based on the transfer function TF (ω, p) obtained above, the above basic equation 1 and basic equation 2 are calculated using the finite element method, and the frequency response of the sound pressure at any point of the analytical model is calculated. Get results. In FIG. 1B, a region (b) is a region governed by a wave equation (equation 2) that does not include a generation term, and a region (c) is a region where a flame exists and a wave equation (including a generation term) This is the region governed by equation 1). Also,
(D) shows a small pressure fluctuation (0.1 mP
It is the area given a).
【００２０】図４は、図１（Ｂ）の解析モデルについて
数値計算によって得られた振動燃焼発生時の周波数応答
結果（破線）と、実際に図１（Ａ）の燃焼装置を燃焼さ
せて得られた結果（実線ａ）を示すグラフである。解析
結果では３００Ｈｚ付近で周波数応答結果にピークが現
れており、振動燃焼の発生を予測している。一方、同じ
条件のもとでの燃焼装置の実際の燃焼において、わずか
に周波数がずれたところでレベルに差はあるものの音圧
のピークが現れ振動燃焼が発生し、解析結果との高い一
致性が認められた。FIG. 4 shows the frequency response result (broken line) at the time of occurrence of oscillatory combustion obtained by numerical calculation for the analytical model of FIG. 1 (B), and actually obtained by burning the combustion device of FIG. 1 (A). It is a graph which shows the result (solid line a). In the analysis result, a peak appears in the frequency response result near 300 Hz, and the occurrence of oscillatory combustion is predicted. On the other hand, in the actual combustion of the combustion device under the same conditions, although there is a difference in level when the frequency slightly shifts, a peak of sound pressure appears and oscillating combustion occurs, which is highly consistent with the analysis results. Admitted.
【００２１】このとき、３００Ｈｚでの本燃焼装置及び
解析モデル内部の音圧分布を図５に示す。燃焼室での音
圧が混合室での音圧よりも大きいことから、この振動燃
焼は、燃焼室が主な発生源になっていることが予想でき
る。従って、燃焼室の形状を変更することによって、振
動燃焼の防止対策を施すことができる。そこで、他の条
件は同じとし、燃焼室１の長さのみを２０８ｍｍに変更
した解析モデルについて、同様の計算と解析を行ったと
ころ、図４に実線ｂで示すように周波数応答結果にピー
クが消失した。そこで、燃焼装置の燃焼室１の長さを２
０８ｍｍに変更して燃焼させたところ、振動燃焼は発生
しなかった。At this time, the sound pressure distribution inside the main combustion device and the analytical model at 300 Hz is shown in FIG. Since the sound pressure in the combustion chamber is higher than that in the mixing chamber, it can be expected that the combustion chamber is the main source of this oscillatory combustion. Therefore, by changing the shape of the combustion chamber, it is possible to take measures to prevent oscillating combustion. Therefore, other conditions are the same, and when the same calculation and analysis are performed for the analysis model in which only the length of the combustion chamber 1 is changed to 208 mm, a peak appears in the frequency response result as shown by the solid line b in FIG. Disappeared. Therefore, the length of the combustion chamber 1 of the combustion device is set to 2
When changed to 08 mm and burned, vibration combustion did not occur.
【００２２】以上のことは、本発明による振動燃焼解析
方法によって実機の燃焼装置に振動燃焼が発生するかど
うかを高い精度で予測できることを示している。次に、
図６を参照して、上記の振動燃焼解析方法を用いて、実
際に燃焼装置を設計する手順を説明する。最初に試作燃
焼装置の設計仕様書２０に基づき、コンピュータの入力
装置から、初期値を設定入力する。例えば、（ａ）燃焼
装置の寸法（実寸）の入力２１、（ｂ）音速、混合気密
度分布の設定２２、（ｃ）バーナ上の火炎の領域（火炎
の数、位置等）の設定２３、（ｄ）微少圧力変動、流速
変動等の初期条件の入力２４、等である。これは、前記
した図１（Ｂ）での解析モデルの作成に相当するもので
あり、図１（Ｂ）での（ａ）〜（ｄ）に相当する。The above shows that the oscillating combustion analysis method according to the present invention can highly accurately predict whether or not oscillating combustion will occur in the actual combustion apparatus. next,
With reference to FIG. 6, a procedure for actually designing a combustion device using the above-described oscillatory combustion analysis method will be described. First, based on the design specification 20 of the prototype combustion device, the initial value is set and input from the input device of the computer. For example, (a) input 21 of the size (actual size) of the combustion device, (b) setting 22 of sound velocity and mixture density distribution, (c) setting 23 of the flame region (number of flames, position, etc.) on the burner, (D) Input 24 of initial conditions such as minute pressure fluctuations and flow velocity fluctuations. This corresponds to the creation of the analysis model in FIG. 1 (B) described above, and corresponds to (a) to (d) in FIG. 1 (B).
【００２３】本発明において基礎方程式を有限要素法を
用いて解くようにしており、有限要素メッシュを使用す
ることにより、設計図があれば、燃焼装置形状寸法を直
接入力して解析することができ、また、音速、密度の分
布等も有限要素ごとに入力可能となる。それにより、解
析対象のモデル化が不要となると共に、燃焼装置形状に
も制限がなく、分岐形状等の複雑な形状についても解析
可能となる。一方において、前記図２に基づき説明した
手法によって種々の火炎についての伝達関数を求め（３
１）、それぞれの火炎に対応した伝達関数データを保存
する（３２）。In the present invention, the basic equation is solved by using the finite element method, and by using the finite element mesh, if the design drawing is available, the geometry of the combustion apparatus can be directly input and analyzed. Also, the sound velocity, density distribution, etc. can be input for each finite element. As a result, modeling of the analysis target is not necessary, the shape of the combustion device is not limited, and complicated shapes such as branch shapes can be analyzed. On the other hand, transfer functions for various flames are obtained by the method described with reference to FIG. 2 (3
1) Save the transfer function data corresponding to each flame (32).
【００２４】コンピュータにより、前記入力データ
（ａ）〜（ｄ）と伝達関数データに基づいて、火炎が存
在する領域を支配する生成項を含む波動方程式（式１）
と、その他の領域を支配する生成項を含まない波動方程
式（式２）の２つの基礎方程式を有限要素法を用いて同
時に解析して、解析モデルでの任意の地点における音圧
の周波数応答結果を得（２５）、解析モデルの各要素に
解析結果（圧力分布、周波数応答結果等）を保存する
（２６）。Based on the input data (a) to (d) and the transfer function data, the computer applies a wave equation (equation 1) including a generation term that governs a region where a flame exists.
And the two fundamental equations of the wave equation (Equation 2) that do not include the generator term that controls other regions, are analyzed simultaneously using the finite element method, and the frequency response result of the sound pressure at any point in the analysis model is analyzed. (25), and the analysis result (pressure distribution, frequency response result, etc.) is stored in each element of the analysis model (26).
【００２５】次に、保存結果から周波数応答結果にピー
クが有るがどうかを判断する（２７）。ピークがないと
きは、前提とした解析モデルで振動燃焼の発生はないと
予測されるので、当初の設計仕様書がそのまま実機の設
計書として用いられる。ピークが有るときは、振動燃焼
が発生する可能性は高い。Next, it is judged from the stored result whether the frequency response result has a peak (27). When there is no peak, it is predicted that the oscillating combustion will not occur in the presumed analysis model, so the original design specifications are used as is as the design documents for the actual machine. When there is a peak, oscillating combustion is likely to occur.
【００２６】そこで、設計しようとする燃焼装置におい
てバーナそのものの設計変更が可能かどうかを判断し
（２８）、可能な場合には、バーナの位置、バーナ上の
火炎の数、炎口形状等の変更を行い（２９）、変更デー
タで前記（ｃ）バーナ上の火炎の領域の設定の値を更新
して、再度計算を行う。本発明の解析方法では、前記の
ように、火炎が存在する領域を支配する生成項を含む波
動方程式（式１）と、その他の領域を支配する生成項を
含まない波動方程式（式２）の２つの基礎方程式を用い
て解析するようにしているので、火炎の存在する領域を
任意に設定することができ、また、複数の異なる伝達関
数をそれぞれの領域に入力することもできる。それによ
り、異なる形状（火炎高さ、幅）の火炎に関しても、領
域、数の制限なく入力し、解析することができる。Therefore, it is judged whether or not the burner itself can be redesigned in the combustion apparatus to be designed (28), and if possible, the burner position, the number of flames on the burner, the flame mouth shape, etc. A change is made (29), the value of the setting of the flame area on the burner (c) is updated with the changed data, and the calculation is performed again. In the analysis method of the present invention, as described above, the wave equation (equation 1) including the generation term that controls the region where the flame exists and the wave equation (equation 2) that does not include the generation term that controls the other region are included. Since the analysis is performed using two basic equations, it is possible to arbitrarily set the region where the flame exists, and it is also possible to input a plurality of different transfer functions to each region. As a result, it is possible to input and analyze flames having different shapes (flame height, width) without limitation on the area and number.
【００２７】図７は、図１（Ｂ）の解析モデル（燃焼室
長さ４０８ｍｍ）において、そのバーナ形状を変更した
場合の解析結果を示すグラフである。ここでは、１つの
火炎Ｆを、中央の大きな火炎ｆ１（伝達関数＃１）とそ
の周囲を囲む複数の小さな火炎ｆ２（伝達関数＃２）に
分割している。コンピュータを用いた数値計算から、こ
のようにバーナの形状を変更することにより周波数応答
結果のピークレベルは大きく低減する（実線Ｃ）ことが
分かるので、燃焼装置形状は変更することなく、バーナ
の形状を変更することのみで、振動燃焼の発生を抑制で
きることが予測できる。FIG. 7 is a graph showing the analysis result when the burner shape is changed in the analysis model (combustion chamber length 408 mm) of FIG. 1 (B). Here, one flame F is divided into a large flame f1 at the center (transfer function # 1) and a plurality of small flames f2 surrounding it (transfer function # 2). From the numerical calculation using the computer, it can be seen that the peak level of the frequency response result is greatly reduced by changing the burner shape in this way (solid line C). Therefore, the burner shape can be changed without changing the burner shape. It can be predicted that the occurrence of oscillatory combustion can be suppressed only by changing
【００２８】バーナの設計変更ができない場合には、燃
焼装置形状の変更を行い（３３）、変更データで前記
（ａ）燃焼装置寸法（実寸）の入力の値を更新して、再
度計算を行う。もちろん、バーナの設計変更と燃焼装置
形状の変更との双方を同時に行うことも可能であり、条
件によっては、他の初期値を変更することもできる。そ
のようにして異なった条件での演算を反復して行い、周
波数応答結果のピークが許容レベル以下となった時点
で、数値計算による解析を終了する。そのときの燃焼装
置形状、バーナ形状に基づき、改良後の設計書を作成す
る（３４）。When the burner design cannot be changed, the shape of the combustion apparatus is changed (33), the input value of the (a) combustion apparatus dimension (actual size) is updated with the change data, and the calculation is performed again. . Of course, both the burner design change and the combustion device shape change can be performed at the same time, and other initial values can be changed depending on the conditions. In this way, the calculation under different conditions is repeatedly performed, and when the peak of the frequency response result becomes equal to or lower than the allowable level, the analysis by the numerical calculation is finished. Based on the combustion device shape and the burner shape at that time, an improved design document is created (34).
【００２９】[0029]
【発明の効果】本発明によれば、燃焼装置の設計段階
で、振動燃焼の発生をより正確に予測することができ、
かつ、複雑な形状の解析モデルであっても的確に振動燃
焼の発生を判定することが可能となる。特に、複数、か
つ異なった伝達関数データを持つ火炎の領域が解析モデ
ルに含まれる場合の解析も可能であり、火炎の領域の配
置、大きさ、設定する伝達関数の種類等を変化させて、
本発明の方法により解析することで、振動燃焼が発生す
るかどうかを音圧の周波数応答結果から判定することが
可能となる。According to the present invention, it is possible to more accurately predict the occurrence of oscillatory combustion at the stage of designing a combustion device,
Moreover, it is possible to accurately determine the occurrence of oscillatory combustion even with an analytical model having a complicated shape. In particular, it is also possible to analyze when a region of flame with multiple and different transfer function data is included in the analysis model, by changing the arrangement of the region of flame, size, type of transfer function to be set, etc.
By analyzing by the method of the present invention, it becomes possible to determine whether or not oscillatory combustion occurs from the frequency response result of sound pressure.
【図１】実験に用いた軸対象燃焼装置を示す断面図（図
１（Ａ））と、該軸対象燃焼装置についての解析モデル
を示す図（図１（Ｂ））。FIG. 1 is a cross-sectional view (FIG. 1 (A)) showing an axially-symmetrical combustion apparatus used in an experiment and a diagram showing an analytical model of the axially-symmetrical combustion apparatus (FIG. 1 (B)).
【図２】本発明による振動燃焼解析方法の解析概念を示
す図。FIG. 2 is a diagram showing an analysis concept of an oscillatory combustion analysis method according to the present invention.
【図３】伝達関数の測定方法の一例を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a transfer function measuring method.
【図４】振動燃焼発生時の周波数応答結果を示すグラフ
であり、実験と解析結果を示す。FIG. 4 is a graph showing frequency response results when oscillatory combustion occurs, showing experimental and analysis results.
【図５】振動燃焼発生時の圧力分布を示すグラフであ
り、実験と解析結果を示す。FIG. 5 is a graph showing the pressure distribution when oscillatory combustion occurs, showing the experimental and analytical results.
【図６】本発明による振動燃焼解析方法を用いて実際に
燃焼装置を設計する手順を説明するフロー図。FIG. 6 is a flowchart illustrating a procedure for actually designing a combustion device using the oscillatory combustion analysis method according to the present invention.
【図７】バーナ形状の変更の効果を示すグラフ。FIG. 7 is a graph showing the effect of changing the burner shape.
１…燃焼室、２…バーナ、３…混合室、（ｂ）…火炎以
外の領域、（ｃ）…火炎領域1 ... Combustion chamber, 2 ... Burner, 3 ... Mixing chamber, (b) ... Area other than flame, (c) ... Flame area
Claims (16)
支配する生成項を含む波動方程式（式１）と、その他の
領域を支配する生成項を含まない波動方程式（式２）の
２つの基礎方程式で記述し、該２つの基礎方程式を有限
要素法を用いて同時に解くことにより、解析モデルでの
任意の地点における音圧の周波数応答結果を得ることを
特徴とする振動燃焼解析方法。 ω：周波数 ｐ：圧力変動 ｃ：音速 Ｒ：ガス定数 Ｃｖ：定容比熱 ｑ：熱発生速度1. The oscillating combustion phenomenon is divided into two equations, a wave equation (equation 1) including a generation term that controls a region where a flame exists and a wave equation (equation 2) that does not include a generation term that controls another region. An oscillating combustion analysis method characterized in that a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in an analysis model is obtained by describing it by a basic equation and simultaneously solving the two basic equations using a finite element method. ω: Frequency p: Pressure fluctuation c: Sound velocity R: Gas constant Cv: Constant volume specific heat q: Heat generation rate
おけるｑを、 ｑ（ω，ｐ）＝ＴＦ（ω，ｐ）・ｐ（ω）・・・式３ のように仮定し、火炎の動的特性を圧力と周波数の関数
として表現したこの伝達関数ＴＦ（ω，ｐ）データを式
１に代入して解くことにより、実際の燃焼装置での振動
燃焼現象を数値計算により解析することを特徴とする請
求項１記載の振動燃焼解析方法。2. In solving equations 1 and 2, q in equation 1 is assumed to be q (ω, p) = TF (ω, p) · p (ω) ... By analyzing the transfer function TF (ω, p) data, which expresses the dynamic characteristics of the above as a function of pressure and frequency, by substituting into equation 1 and solving it, the oscillatory combustion phenomenon in the actual combustion device is analyzed by numerical calculation. The oscillatory combustion analysis method according to claim 1.
複数設定し、それぞれの領域についてそれぞれの伝達関
数ＴＦ（ω，ｐ）データを式１に代入して解くことによ
り、実際の燃焼装置での振動燃焼現象を数値計算により
解析することを特徴とする請求項２記載の振動燃焼解析
方法。3. An actual combustion apparatus by setting a plurality of regions in which flames are present in an analytical model, and substituting respective transfer function TF (ω, p) data into equation 1 for solving each region. The oscillating combustion analysis method according to claim 2, wherein the oscillating combustion phenomenon in step 1 is analyzed by numerical calculation.
ける音圧の周波数応答結果をもとに、顕著なピークがあ
るか否かによって振動発生の有無を予測することを特徴
とする請求項１ないし３いずれか記載の振動燃焼解析方
法。4. The presence or absence of vibration is predicted based on whether or not there is a prominent peak based on the frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in the obtained analytical model. The vibration combustion analysis method according to any one of 1 to 3.
ける音圧の周波数応答結果をもとに、ピークレベルを定
量的に評価し、そのピークレベルによって振動燃焼の発
生のしやすさを評価することを特徴とする請求項１ない
し３いずれか記載の振動燃焼解析方法。5. The peak level is quantitatively evaluated based on the frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in the obtained analytical model, and the easiness of occurrence of oscillatory combustion is evaluated by the peak level. The oscillating combustion analysis method according to any one of claims 1 to 3, wherein
モデルを設定し、該解析モデルに対して請求項４記載の
予測及び／又は請求項５記載の評価を行い、その結果に
基づき当初の解析モデルに変更を加えて再度計算を繰り
返すことにより振動燃焼の発生を防止した燃焼装置の設
計書を得ることを特徴とする燃焼装置の設計方法。6. An initial analysis model is set based on the design document of the combustion apparatus, and the analysis model is subjected to the prediction according to claim 4 and / or the evaluation according to claim 5, and based on the result, the initial analysis model is set. A method for designing a combustion device, characterized in that a design document for the combustion device that prevents the occurrence of oscillatory combustion is obtained by modifying the analysis model of 1.
周波数応答結果のピークレベルを定量的に評価し、ピー
クレベルが一番小さくなるときの、伝達関数の組み合わ
せを求め、そのような伝達関数の組み合わせを実現する
ように当初の解析モデルに変更を加えて再度計算を繰り
返すことにより振動燃焼の発生を防止した燃焼装置の設
計書を得ることを特徴とする請求項６記載の燃焼装置の
設計方法。7. A peak level of a frequency response result of sound pressure when a plurality of transfer functions are defined is quantitatively evaluated, and a combination of transfer functions when the peak level becomes the smallest is obtained. 7. The combustion apparatus according to claim 6, wherein a design document of the combustion apparatus in which the occurrence of oscillatory combustion is prevented is obtained by changing the initial analysis model so as to realize the combination of transfer functions and repeating the calculation again. Design method.
製造される燃焼装置。8. A combustion device manufactured according to the design method according to claim 6.
置内の音速、混合気密度、１又は複数のバーナ上の火炎
の領域とを入力する入力手段と、 １又は複数の火炎の動的特性を圧力と周波数の関数とし
て表現した１又は複数の伝達関数データのメモリー部
と、 前記入力データと伝達関数データに基づいて、火炎が存
在する領域を支配する生成項を含む波動方程式と、その
他の領域を支配する生成項を含まない波動方程式の２つ
の基礎方程式を有限要素法を用いて同時に解析して、解
析モデルでの任意の地点における音圧の周波数応答結果
を得る解析手段と、 前記解析結果を保存する手段と、 前記解析結果を表示する手段と、を少なくとも備えてな
ることを特徴とする振動燃焼解析装置。9. Input means for inputting at least the shape of a combustion apparatus, the speed of sound in the combustion apparatus, the air-fuel mixture density, the area of the flame on one or more burners, and the dynamic characteristics of the one or more flames. A memory unit for one or more transfer function data expressed as a function of pressure and frequency, a wave equation including a generation term that governs a region where a flame exists, and other regions based on the input data and the transfer function data. Analyzing means for simultaneously analyzing two basic equations of a wave equation that does not include a generating term that governs, and obtaining a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in an analytical model; An oscillating combustion analysis apparatus comprising at least a means for storing and a means for displaying the analysis result.
の地点における音圧の周波数応答結果をもとに、顕著な
ピークがあるか否かを判断する手段を有することを特徴
とする請求項９記載の振動燃焼解析装置。10. A means for judging whether or not there is a remarkable peak based on the frequency response result of the sound pressure at an arbitrary point in the obtained analytical model. 9. The vibration combustion analyzer according to item 9.
の地点における音圧の周波数応答結果をもとに、ピーク
レベルを定量的に評価する手段を有することを特徴とす
る請求項９又は１０記載の振動燃焼解析装置。11. The method according to claim 9, further comprising means for quantitatively evaluating a peak level based on a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point in the obtained analytical model. The vibration combustion analysis device described.
きに、それぞれの伝達関数データの間での相互作用を評
価して、異なる形状の火炎を配置したときに振動燃焼が
発生するかどうかを解析する手段を有することを特徴と
する請求項９ないし１１いずれか記載の振動燃焼解析装
置。12. When a plurality of flame regions are defined, the interaction between respective transfer function data is evaluated to determine whether oscillatory combustion occurs when flames having different shapes are arranged. The oscillatory combustion analysis device according to any one of claims 9 to 11, further comprising an analyzing unit.
の形状とその燃焼装置内の音速、混合気密度、及び、１
又は複数のバーナ上の火炎の領域とに関するデータと、
１又は複数の火炎の動的特性を圧力と周波数の関数とし
て表現した１又は複数の伝達関数データとに基づいて、
火炎が存在する領域を支配する生成項を含む波動方程式
と、その他の領域を支配する生成項を含まない波動方程
式の２つの基礎方程式を有限要素法を用いて同時に解析
し、かつ、解析モデルでの任意の地点における音圧の周
波数応答結果を得る手順を実行させるためのプログラム
を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。13. The computer is provided with at least the shape of the combustion device, the speed of sound in the combustion device, the mixture density, and 1
Or data on the area of flame on multiple burners,
Based on one or more transfer function data representing dynamic characteristics of one or more flames as a function of pressure and frequency,
The two fundamental equations, the wave equation including the generating term that controls the region where the flame exists and the wave equation that does not include the generating term that controls the other region, are simultaneously analyzed using the finite element method, and A computer-readable recording medium recording a program for executing a procedure for obtaining a frequency response result of sound pressure at an arbitrary point of.
た音圧の周波数応答結果にピークがあるか否かを判断す
る手順を実行させるためのプログラムを記録した請求項
１３記載のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。14. The computer-readable record according to claim 13, further comprising a program for causing a computer to execute a procedure for determining whether or not the obtained frequency response result of the sound pressure has a peak. Medium.
た音圧の周波数応答結果をもとに、ピークレベルを定量
的に評価する手順を実行させるためのプログラムを記録
した請求項１３又は１４記載のコンピュータ読み取り可
能な記録媒体。15. A program for causing a computer to execute a procedure for quantitatively evaluating a peak level based on the obtained frequency response result of the sound pressure is recorded. Computer-readable recording medium.
きに、それぞれの伝達関数データの間での相互作用を評
価して、異なる形状の火炎を配置したときに振動燃焼が
発生するかどうかを解析する手順を実行させるためのプ
ログラムを記録した請求項１３ないし１５いずれか記載
のコンピュータ読み取り可能な記録媒体。16. Further, when a plurality of flame regions are defined, the interaction between respective transfer function data is evaluated to determine whether or not oscillatory combustion occurs when flames of different shapes are arranged. The computer-readable recording medium according to any one of claims 13 to 15, which records a program for executing the analyzing procedure.
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|---|---|---|---|
| JP29681497A JP3369086B2 (en) | 1997-10-29 | 1997-10-29 | Vibration combustion analysis method and apparatus and recording medium |
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| JPH11132458A JPH11132458A (en) | 1999-05-21 |
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