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Title 予混合火炎の振動燃焼に関する研究

Author(s) 伊藤, 正吾; 塚田, 裕; 伊藤, 献一; 深沢, 正一

Citation 北海道大學工學部研究報告, 57, 87-99

Issue Date 1970-10-31

Doc URL http://hdl.handle.net/2115/40997

Type bulletin (article)

File Information 57_87-100.pdf

Hokkaido University Collection of Scholarly and Academic Papers : HUSCAP

予混合．火炎の振動燃焼に関する研究

fii｝藤i工1三：蕉＊　　1家　　　　　祥｝’1【

伊藤献t一一・＊　深沢正一一・＊

　　（口召零145煮辞5月　30　日受PJI．〉

An　Experimental　Study　on　Oscillatory　Combustion　　　　　　　　　　　　　　of　Premixed　Flames

Shogo　IToH

Kenichi　IToH

Yutaka　TsuKADAShoichi　FuKAzAwA

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Abstract

　　　There　are　two　states　of　oscillatory　combustion　which　occur　in　a　combustion　system

of　Helmholtz　resonator　type．　One　is　a　high－frequency　or　acoustic　reasonance　oscillatory

combstion　and　the　other　is　a　low－frequency　oscillatory　combustion．．　The　mechanis皿of

the　latter　combustion　has　not　been　clarified　as　yet．

　　　In　this　study，　propane－air　premixed　gases　were　burned　in　a　glass　mant｝e　tube　burner

mounted　oii　a　surge　tank　into　which　secondary　air　was　fed　through．

　　　The　oscillation　mechanism　and　the　relations　between　the　two　states　of　combustion

oscillation　have　been　investigated　by　means　of　high　speed　photography，　measurements　of

the　mantle　tube　pressure　loss　which　characterize　the　vibratory　combustion，　the　fiuctuation

of　fiow　velocity，　static　pressure　and　flame　position．

　　　The　low－frequency　oscillation　evidently　begins　with　momentary　blow　ot｛　as　the　sec－

ondary　air　is　increased，　and　consists　of　a　repeat　cycle，　flame　existence　and　the　blow　off．

　　　Wave　patterns　on　low－frequency　oscMation　show　that　acoustic　oscillation　is　observed

cluring　fiame　existence　which　varies　its　amplitudes　in　accordance　with　the　low－frequency

oscillation．

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　1．　緒　　　言

　　　燃焼装置において振動燃焼が．発生すると，たんに音がうるさいばかりでなく燃焼性能にも影

響し，ときにはひじょうに激しい振動にまで発達して装置の：機械的破壊をもたらすこともある。

したがって振動燃焼は多くの場合好ましい現象ではなく，振動燃焼が発生せず定常かつ安定な燃

焼が行なわれるように燃焼装置を設計する必要がある。

　　　振動燃焼は燃料の種類，燃焼器の大小を1≡間わず，ほとんどすべての連続流形燃焼装置で発生

し，発生した振動の様式や維持機構も種々さまざまなものが存在するものと思われる。振動燃焼

のうち高周波振動燃焼または音響共鳴振動燃焼についてはジ．エットエンジン，ロケットエンジン

の発達により．多くの研究がなされている。しかしながら．低周波振動燃焼についての報告は比較的

少なく，振勤発生原因についての一・貫した説明はなく，種々の原因1＞，2）・3）が考えられている。

＊　機械二［：学剰・　燃焼コニ学言簿磁二

88 伊藤正吾・塚田　裕・伊藤献一・深沢正一 2

　　本研究においては，ガラス管中で気体燃料（プPパン）を燃焼させる実験を行ない，ここで燃

焼の特性を燃焼筒内圧力損失を用いて定：殿的に把握し，またこのとき二次空気流速変動，火炎の

変動，および燃焼装置各点の静圧変動をi剛1寺記」封セし，これらを高速度写真と対応させ振動燃焼の

発生機構を調べた。

2．　実験装置および実験方法

　　実験装置の概要を図一1に示す。　この装置は，プロパンガスと’tttt一一i次空気の予混合気を直立し

たガラス管内で燃焼させ，さらにサージタンク2を通じ二次空気を流入させる。

　　燃料ぱプロパンガス（市販品，純度95％）7を用い，その流量（2fをオリフィス9で，また一一・

次空気流量Ω。王をピトー管10で測定し，これらを混合室4で混合したのち，バーナ管3をへて

燃焼筒1に噴出する。二次空気を送風機6からサージタンクをへて燃焼筒に供給し，その流量

をピトー管11で測定する。　またサージタンク内の静／．EPo，燃焼筒入口静圧P1および燃焼筒出

口静圧．P2をそれぞれマノメータ17，18，19で測定する。　さらに燃焼筒野口流速U2をピトー管

38で測定する。燃焼輩出ロガス温度T2を熱電対36で，また長野方向グ）燃焼筒壁温度Tlyを熱

電対31～35で評定する。二次空気流速変動を熱線風速計25により，バーナロ上200mmにお

ける火炎の変動をフォトトランジスタ24により，また音響もしくは圧力の変動を圧力ピックア

ップ21～23でそれぞれ検出し，これらを電磁オシPグラフ30に同時記録する。本実験において

は燃料流量と一．．一次空気流量の重量混合比Mをパラメータとし，混合気流量Qf，　。iと二次空気流

速Uユ（燃焼筒入口における平均流速）を変化させる。

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26　　　　2i

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4

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7

20　【8　17○

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○ll 　　　6

P6

図一1　実験装置概要

1．燃焼筒（硬質ガラス管，内径1）＝55mm，長さ

　L＝　L7　m）

2．サージタソク（容量Vo＝O．1　m3）

3．バーナ管（鋼管，肉厚δ＝2．5mm，内径c／　・＝

　　9．0　mmおよびδ＝2．9　mm，　cl＝9．0　mmの二種類）

4．予混合室5。一vt（察気∫H送風機（500　W）

6．二次室気用送風機（950W×2）7．　プロパンガスボンベ

8．燃料流量調整用ニードル弁

9．オリフイス

10．一次室気流量測定用全圧管

！！．二次室気流量測定用全圧管

12．混合気温度測定用温度計13．二二次室気温度測定用温度ll｛『

14．　燃＊斗薪己量潰旺定月一IYノメータ

15．一次室気流itt，i：測定川マノメータ

16．二次室気流量測定用マノメータ

！7．サージタソク内静圧測定川マノメータ

！8．燃焼筒入口静圧測定用マノメータ

19．燃焼筒U二い二i静圧測定」1｛マノメータ

20．燃焼筒出口流速測定耳1マノメータ

21．燃焼筒内圧力ピツクアツプ

22，燃料供給管内圧力ピツクアツプ

23．サージタンク内圧力ピツクアツブ24．フォ】・］・ラソジスタ（東芝OS　14）

25，熱線風速計（DISA　55　A　O！）

26～29。　工曽　ri囁　暑琴

30．電磁オシpグラフ（YEW，　EMO－6！　SA）

31～36．　クロメルアルメル熱電舛（0．3mmφ）

37．自動平衡型自記記録計38．燃焼筒Li：i　r－1流速測定用全圧管

39．整流網

3 予混合火炎の振動燃焼に関する研究 89

　　　　　　　　　　　　　　　　　　3．　実験．結果

　3．1　二次空気流速の影響

　　図一2は，二次空気流速を増加させていったときの燃焼状態で，それぞれの状態を下表に説明

した。

　　二次空気流速をしだいに増加させていったときの火炎の変動，二次空気流速変動，燃焼筒内，

バーナ管内およびサージタンク内の圧力変動を同時記録させたオシログラムを図一3（a）～（g）に示

す。（a）図は定常燃焼状態である。（b）図程度に変動が大きくなると可聴レベルの音響共鳴振動燃

焼となる。（c）図は音響共鳴燃焼から低周波振動燃焼への過渡期で，図の矢印の部分で火炎の吹

切れ（flame　necking）が生じている。　さらに（d），（e）図は低周波振動燃焼状態で，周期的な変動

が生じている様子がよくわかる。ここで，火炎の着火と同時にそれぞれの圧力が上昇し，二次空

気流速も大きくなり，これらの位相差はほとんどなくほぼ同時に行なわれている。さらに二次空

気流速を増加させていくと，（f）図のように火炎の吹切れが激しくなり，火炎の消滅時間は長く

なる。また，さらに二次空気流速を増加させるとしまいにはパーナロ上火炎となり（g）図のよう

1 2 3 4 　　　5　　　　　　6（写真中央部の光は反射光である）

cm15

10

5

o

写真番号

1

2

3

4

5

6

二次室気流速

　U，　m／s

10，2

！4．3

17．5

19．5

20．8

24．4

燃焼状態

定　常　燃　焼

音響共鳴振動燃焼

音響共鳴振動燃焼～低周波振動燃焼

低周波振動燃焼

低周波振動燃焼

バーナロ上火炎

火　炎　の　特　徴

火炎の上部は黄赤色を呈し，バーナ黙約1mmぐらい暗部がある。

火炎全体が青色を呈し，共鳴音を発して燃焼する。

激しい音響共鳴を発して燃焼し一時的な火炎の吹切れを生ずる。

パーナ管端より20mmぐらいのところに，火炎の収縮部がみられる。

火炎の収縮部が明らかにみられる。

共鳴音はまったくなくなり，バーナロ上火炎だけとなる。

図一2　二次室気流速による燃焼状態変化（Qf＝6．！4／min，

　　　Qcti＝56．4gfmin，　M＝6，　7Jfd　＝O．322）

90 伊藤正吾・塚田　裕・伊藤献一・深沢正一 4

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（a）ひ1二7．2m／s（定常燃焼）

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（b）σ1＝13．5m／s（音響振動燃焼）

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（c）ひ1；17．3m／s（音響から低周波

　　振動燃焼への過渡期〉

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5予混合火炎の振動燃焼に関する研究 91

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（e）σ1＝20．2　m／s（低周波振動燃焼）

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（f）Ui　＝　21．6　m／s（低周波振動燃焼）

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　　　　　（g）Ui　＝　24．6　m／s（バーナ玉上火炎）

図一3　二次空気流速による燃焼状態変化（2f；6．16／min，　　　　Ozai＝56．4　e／min，　M＝：6，　6／d＝O，322）

92 伊藤正吾・塚田　裕・伊藤献一・深沢正一 6

なオシログラムとなり，・二次空気源よりくる変動以外の変動

はまったくなく，定常燃焼時のオシログラムとほとんど同じ

になる。また，図一4は火：炎の変動，二次空気流速変動および

圧力変動のオシPグラムを模型化した図である。

　　図一5は低周波振動燃焼をしているときのオシログラム

（図一3（e）のオシログラムより送り速度を速くしたもの）で，

この波形は低周波振動の一サイクルに相当するものである。

このオシログラムより，低周波振動のサイクル中に音響振動

をしていることがわかる。つまりこのことより，低周波振動

数は音響振動の振幅の変動によるものであるといえよう。

　　図一6（a）は低周波振動燃焼時の火炎の一サイクルを示す

高速度写真（147コマ／sec）である。この写真より，振動燃焼

における火炎の吹切れる様子が明らかに観察される。また，

flame　fluctuation

　　　　　　　　　　　　　　secondQry　Qir　velocity　fluc十u〔コ†ion

　　　　　　　　　　　　

pressure　fluc†uq†ion

図心4　オシログラムの模型化

高速度写真を模型化して図一6（b）に示し，高速度写真と火＝炎変動のオシログラムとの対比を図一6

（c）に示す。写真番号1～2はバーナロ上火炎で，3でバーナロ上火炎が伸び，4～6で主燃焼火二炎

に着火してこれが生長し，7～8ではついに火炎の吹切れはなくなる。つぎに9でバーナロ上約

20mmのところで火炎が吹切れ，10～12ではパーナロ上火炎のみを残して主燃焼火炎が消滅し

ていき，13ではふたたびバーナロ上火炎だけとなる。

　　オシPグラムより，低周波振動に入る二次空気流速と混合気流速（バーナ出口における平均

流速）との関係を求めた一例を図一7に示す。この低周波振動の下限界は，空燃比，混合気流速お

よび二次空気流速により定まるが，バーナ管の肉厚を変えると著しく異なる4）。

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　　　　　　図一5　低周波振動と音響振動の関係（2f；6．1　e／min，　　　　　　　　　　Qai＝56．4e／min，　M＝6，　O／d＝　O．322）

婁

7 予混合火炎の振動燃焼に関する研穿 93

1 2 3 4 5 6 7

8 9 10 11 12 13 14

写真番号　　1

経過時間　m　sec

o

2

6．8

3　14

！3．6 20．4

5

27．1

6

33，9

7

40．7

8

47．5

9

54．3

10

61，！

11

67．8

12

74．6

13

8L4

14

88．2

1

128．9

図一6（a） 低周波振動燃焼時の火炎の高速度写真（Qf＝6．16／min，Qrti＝56．4　g／min，　M＝6，　r）／d＝O，322）

FILM　NUMBER7　8　9　10　11　12　i5

11

14　・…

　　　flame　necking

／

25　4　5　67　8　9　10　11　12　15

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BURNER

1　cycie

図一6Cb）　低周波振動燃焼時の火炎の模型化

　　また，火炎の変動のオシログラムより，二次空気流速と火炎の消滅時間率との関係を示した

ものが図一8である。　この図より，混合気流量が大きいほど小さな二次空気流速で火炎の吹切れ

がおこり低周波振動燃焼状態になることがわかる。

　3．2　空堀比，混合気流量および二次空気流速の影響

　　装置内の全圧力損失は定常状態において次の様に表わされる3）。

　　　　　　　P・＋・紫㌦＋s　（r，U3－r，Ui）＋［刷鴫71

また，燃焼筒内圧力損失は次の様に表わされる。

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74・6　128・9

　　　　　　Zi　；flame　existing　interval

　　　　　　「＝二2　；　no　 flame　　in†ervOI

図一6（c）　高速度写真とオシログラムとの対比（バーーナ

　　　　「1　．9：　：）oo　mmにおける火炎強度の変動）

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M＝66／d　＝　O．522

　＿炎

10 20

secondary　air　ve］ocity　U　t

図一7　低周波振動燃焼下限界線図

ただし

　　［d／一）s］；摩擦損失

　［d／），、1；加速損失

　　［㌦窮；気柱損失

〆響・燃焼筒入・吻お・

　　　　　び整流綱による損失

　　　／；損失係数

　　　　λ；燃焼筒内管摩i察係数

r玉，r2，7’“，；燃焼這入口，出口お

　　　　　よび生内平均比露量

　　　である。

　　　　　燃焼筒内圧力損失，およびサー

　　　ジタンクを含めた全圧力損失を図一9，

　　　図一10に示す。図一9は，二次空気流速

　　　を増加させても低凋波振動燃焼のおこ

　　　らなかった場合であり，図一10は，低

　　　周波振動燃焼のおこった場合である。

　　　　　図一！0（a）において，A領域は定

　　　常燃焼であり，やがてB領域の音響共

　　　鳴振動燃焼となり，つぎに火炎の吹切

　　　れがおこってC領域の低ノ胡皮振動燃

　　　焼となり，しまいにはバーーナロ｝二に小

　　　さな火炎を残すD溶血となる。　圧力

　　　損失は，二次空気流速の増加につれて

　　　摩擦損失，加速損失がともに増加する

　　　が，低周波振動燃焼になると火炎の吹

　　　切れのために摩擦損失の増加は小さく

　　　なり，加速損失は激減するため圧力損

　　　失曲線は降下する。さらに二次空気流

　　　速を増加していくとバーナロ上火炎に50　　　なるため加速損失は減少するが，二次

　　　空気流速増加による摩擦損失が増加すm／s　　　るため圧力損失曲線はふたたびL昇す

　　　る。　ここに，Pl－P2ぱ実験値，［P一

　　　P2］は計算値および（Pr．P2）は未燃焼

9 予混合火炎の振動燃焼に関する研究 95

状態における燃焼三内1－E力損失である。また，PrP2は全圧力損失実験結果，［P。一P2］は全圧力

損失計算結果およびPrP！はサージタンク圧力損失実験結果である。さらに（a）には燃焼筒出

ロガス温度T2を示し，（b）には燃焼丁丁温度Tiir（3！～35は測定置旧を示す；図一1参照）および

燃焼筒出ロガス温度を示した。

　　空回L’t一一一丁目混合気流墨：をパラメーータとしたときの圧力損失を一一！1に示す。これより，混

合気流量が大きくなるにしたがって小さな二次空気流速で低周波振動燃焼になることが，圧力損

失特性の極大値よりわかる。また低周波振動に入るまえの曲線が上昇していく過程において，同

一一 ﾌ二次空気流速に着目すると，混合気流量が大きいときの方が加速損失が大きいので燃焼簡内

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　図一8　火炎消滅時間率（バーナ日．ヒ200mm＞

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　　（a）燃焼筒内圧力損失

　　　　　図一9　　　　　　　　A4＝6，　X）／d＝＝O．278）

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　　　（b＞全圧力損失

圧力損失特性1［ll線（Q．f　＝・　4．5　e／min，（］，，1　・・　41．44／min，

96 伊藤正吾・塚田　裕・伊藤献一・深沢正一 圭O

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secondary　air　verocity　U［　m／s　secondary　air　velocity　U　i　m／s

　　　（a＞燃焼田田圧力損失　　　　　　　　　　　　（b）全圧力損失

　　　　　　　　　図一10　圧力損失特性曲線（Qf　＝・　6．1　e／min，9ai＝56．46／min，

　　　　　　　　　　　　　　　M＝　6，　6fd＝　O．278）

σく〔

∈∈≡

鉦『のの⊇

9講

の9Q一

20

15

IO

5

o

e

A．

o

QftaF

35345．9

55．2

62．5

7目

a／m［n

M＝6

　　／

糾：

　　　　　x

・飴，〆

σく

　∈

ε

α『

ωの⊇

曾

房

の豊

α

20

i5

IO

5

10 20 30

　　　secondQry　air　velocity　U　i　m／s

図一11　混合気流量変化による燃焼　　　　　　壼有内圧三ブフ損タミ雫司生

06

　　　M　Qf．oi　e／min

e　2　25’4　0　4　44・OA　6　62－5．　8　83・1

6／d　＝　O・278　L－d　SA

N

Xblew　off

　嚇▲’

N）x2

10 20 30

　secondary　Gir　velocity　U　i　m／s

図一12　盛燃比変化による燃焼　　　　　　僧∫内君三力損タミ特ill生

11　　　　　　　　　　　　　　　予混舎火炎の振動燃焼に関する研究　　　　　　　　　　　　　　　97

圧力損失ゴPは大きい。低周波振動に入ってからは逆に，図一8で示したように混合気流鍛が大き

い方が火炎消滅時間率が大きくなり，漏度が低下するため，加速損失が小さくなり同一の二次空

気流速に対して燃焼筒内圧力損失APは小さくなる。

　　また，同一の燃料流量に対して空燃比を変化させたときの燃焼筒内圧力損失は図一12に示さ

れる。空燃比ハ4－4，6，8のときは低周波振動燃焼になるがM・・2のときは音響振動に入る前に

吹消えにいたる。

　3．3　振動数について

　　図一13は二次空気流速に対する音響振動数および音響振動波長を示したものである。Cの振

動数はオシログラムより求めたものであるが，平均波長は3，36mとなって燃焼筒長さL＝1．7　m

の約2倍となり，両端闇管の場合の基本振動数とよく一致している。

　　また低周波振動数は，この系のヘルムホルツの振動数で次式によって表わされる。

　£

［30

120

110

E4　3

　2

　t

frequency　of　acoustic　vibration

　　　　　　　　　　　e　e　　　e一一一ir－e’mnr一一＝oir一一一＃imi一一“e

e　　e　e　　e

　　　　　e e　ee

wave　length　of　acoustic　vibration

Qf＝6・1　e／min

Qai＝56・4　e／min

M＝66／d＝O・278

Lニトアm

IO 15 20

secondary　air　velocity　Ui　m／s

図一玉3　音響振動数およびその波長

lo

　

エ

ス85雪

び霊

｝

o

　Qf・t－al　low－frequency　osc“lation

．　45・9　e／min

A　55－2

　　secondary　air　velocity　Ui　m／s

　　　　　図一14　低嗣波振動数

25

98 伊藤正吾・塚田　裕・伊藤献一・深沢正一 12

　　　　　　　　　　　　　　　　・蚤》毎藷∬

　　　　　　ただし

　　　　　　　　　　罵　ヘルムホルツ振動数

　　　　　　　　　　Zt；大気温度での音速

　　　　　　　　ρo，ρ，，t，；サージタンク内および燃焼筒内平均密度

　　　　　　　　　　A　；　　　燃焼喬竃1＊J〒i顛積

　　　　　　　　　　Vo；サーージタンク容積

ここで近似的にρ，n，　＝　iOeとして計算するとンー6．4　Hzとなり，図一14に示すオシログラムより求め

た値とよく一致する。

4．振動燃焼の機構に対する考察

　　二次空気流速を増加させるにしたがってバーナ目上のある距離において，図一6（b）の模型図

で示したように火炎の吹切れを生じ，つぎに吹切れによる賭部が増加し，しまいにはバーナロ上

火炎だけとなる。つまり低周波振動燃焼は，火炎の吹切れをきっかけとして発生するものと考え

られる。

　　バーナロ上火炎となると，燃焼による気体の体積膨脹が少ないため燃焼筒内圧力は減少し，

同時にバーナ管内圧力，サージタンク内圧力および二次空気流速が減少する。ついでバーナロ上

火炎が着火源となり主燃焼火炎が伸びる。この燃焼によって気体の体積膨脹がおこり燃焼筒内圧

力，バーナ管内圧力，サージタンク内圧力および二次空気流速が増加する。このようにして振動

燃焼が維持されるものと考えられる。

　　以上のことより，低周波振動燃焼の主因は，二次空気流速増加による火炎の吹切れに伴う，

二次空気流速変動および圧力変動によるものと思われる。

5．　結 雷

　　予混合火炎の振動燃焼，とくに低周波振動燃焼に対する基礎的研究を行ない，その結果はつ

ぎのように要約される。

　　1）二次空気流速をしだいに増加させていくと音響共鳴振動につづいて火炎の吹き切れが起

こり，それと同時に低周波振動燃焼状態に入る。ただし，音響共鳴振動の開始点や，低周波振動

が生ずるか否かは，混合比，バーナ管径および肉厚などにより異なる。

　　2）低周波振動燃焼発生の主原囚は火炎の吹切れに伴う二次空気流速変動および圧力変動に

よると考えられる。また，それが維持される機構はバーナロ上火炎を着火源とする未燃混合気へ

の着火と吹切れとの繰り返しサイクルの形成にある。

　　3）低周波振動燃焼時の振動波形（サイクル数）は音響共鳴振動の振幅が変動していること

を示し，低周波振動は音響振動の振幅変調現象であるともいえる。このときの音響周波数は音響

振動燃焼時のそれに一致している。

　　4）低周波振動数の最大値は系のヘルムホルツ振動数とよく一一一致し，音響振動数は両端開管

の場合の基本振動数に一致する。

　　5）今後の問題として，本実験において測定された変動現象の定量化をはかるとともに，低

周波振動燃焼の発生条件である火炎の吹切れの機構とそれに対する空燃比，燃料流量，バーナ管

端形状寸法の影響を明らかにする必要がある。

13 予混合火炎の振動燃焼に関する研究 99

　　なお，本研究を行なうにあたり，実験において学部学生新谷研IIII君の協力を得，図画の作製

には当講座山根技官の助力を得たことに謝意を表する。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　参考文献

！＞　　斎藤；　｛幾械学会言島文集，3！－22！　（U召40－1），p．143．

L）　A．　G．　Gayclon　and　H．　G．　Welfhard：　Flac　mes，　2nd，　ed．　（！960），　p．　161，　Chapman　and　lmlal1

3＞松本：機械学会論文集，34－263（昭43－7＞，p．1265．

4）本研究室における未発表資料．