水素火炎の可視化解析のための発光スペクトルシミュレーション

【背景・経緯】
　可燃性ガスの燃焼挙動を解析するために、火炎の発光を利用した可視化が行われています。発光の撮影は基本的な計測手法の一つであり、燃焼速度や火炎の伝播挙動の解析に用いられます。当研究グループでは、水素をはじめとする可燃性ガスの燃焼影響評価に火炎の撮影を利用してきました。火炎からは様々な種類の光が放出されており、それらは燃焼の状態や燃焼反応の進行を反映しています。可視化データを有効に活用するためには、発光の性質を理解し、撮影結果を正しく解釈することが必要です。そのために、燃焼気体からの発光を分光検出し、そのメカニズムを解明する研究を実施しています。その一環として、水素燃焼における発光スペクトルをシミュレーションにより再現する試みを行いました。

 

【成果】
　水素燃焼の発光スペクトル（図）は、三つの特徴的な発光から構成されます[1]。赤外域に現れる熱輻射光、紫外域におけるラジカルの発光、そして可視域における連続発光[2]です。本研究では、水素火炎の撮影に良く用いられる赤外と紫外の発光を対象としました。赤外発光は燃焼生成物である水分子の輻射に起因します。高温の熱平衡状態にある水分子の輻射スペクトルを分光学データに基づき計算することで、赤外の発光スペクトルを再現できました。一方で紫外の発光については、発光源である励起OHラジカル（OH*）の熱平衡を仮定した計算ではスペクトル形状を再現できませんでした。そこで、枠内の図のように水素の燃焼中におけるOH*のスペクトルを詳しく計測し、その内部状態分布を解析したところ、燃焼中のOH*は著しく非平衡な状態分布を示すことが分かりました。このことを計算に反映することで、紫外の発光スペクトル形状を説明できました。これは、紫外発光が化学反応により生じる過渡的な状態から発生する化学発光であることを裏付ける結果です。

 

図．水素燃焼における発光スペクトル（実線）と水分子高温輻射（鎖線）およびOH*化学発光（点線）のスペクトルシミュレーション

 

【成果の意義・今後の展開】
　この成果は、赤外および紫外発光と燃焼現象の関係を明らかにしたことで、火炎の可視化に基づく燃焼解析の高度化を促進するものです。今後の課題としては、本研究では純粋な水素燃焼を対象としましたが、実際の燃焼実験における撮影ではガス配管や環境中の微量不純物に由来する発光（ナトリウムによる橙黄色など）が顕著に現れることがあります。そのようなデータを適切に活用するために、不純物由来の発光の特性を理解する必要があります。
 

※ 本研究はJSPS科研費24K07350の助成を受けたものです。
 

[1] 松木亮、水素燃焼における発光のメカニズム、水素利用技術集成Vol.7～水素燃焼技術～ (NTS) pp.26-36 (2025).
[2] https://riss.aist.go.jp/research/20240318-2807/

2026年06月03日