【目的】泡沫セラミックはその高い多孔率、多孔構造および異なるセル構造により、バーナー内での熱・質量伝達を強化し、希薄燃焼限界を拡大できる。しかし、ランダムな多孔構造から生じる微視的流れ場は、燃料‐空気混合効率および炎の安定性に直接影響し、従来のモデルでは予測が困難であり、尾流の乱流流場を正確に予測するモデルが急務である。【方法】そこで、Voronoiアルゴリズムに基づくランダム泡沫セラミック構造と大規模渦シミュレーション(LES)を組み合わせて多孔子スケールの乱流を研究し、異なる入口流速(10～100 m/s)条件下での流れ場構造および渦の進化特性を重点的に数値解析した。【結果】入口速度の増加に伴い、流れは粘性支配から慣性支配へ徐々に変化し、渦度が著しく増強し、高渦度域はスケルトンの風下側および孔径の幾何学的変化領域に集中した；乱流運動エネルギーの最大値は状態1(入口速度10 m/s)の120.84 m2/s2から状態4(入口速度100 m/s)の12,049.28 m2/s2に増加し、増加率は約100倍となった。Q基準に基づく渦構造解析により、ランダムな多孔は流れの異方性を顕著に引き起こし、高回転強度の渦核が局所消散を支配し、多孔の連結性と関連していることが示された。多スケール渦構造の協調作用による乱流エネルギーカスケードと、高回転強度渦核主導の局所消散が燃焼反応過程を協調的に制御する。【結論】Voronoi-LES結合手法によりランダム泡沫セラミックモデルを構築し、多孔子スケールでの渦構造の生成、進化および消散規則を効果的に捉え、多孔子スケール乱流‐化学反応結合メカニズムの解明に新たな視点を提供し、泡沫セラミックバーナーの設計最適化、低炭素発電効率向上および汚染物排出低減に重要な工学的意義を持つ。

泡沫セラミック;多孔子スケール;大規模渦シミュレーション;Voronoiアルゴリズム;Q基準