φ スライダーを動かすと炎の色・高さが変化します。青炎(希薄)・黄橙炎(理論比)・赤黒炎(濃混合)の違いを確認できます。
断熱火炎温度 T_ad vs 当量比 φ（4燃料比較）
理論・主要公式
$$\phi = \frac{(F/A)_{\rm actual}}{(F/A)_{\rm stoich}}$$
当量比 $\phi$：化学量論比に対する実際の燃料/空気比。$\phi<1$ で希薄、$\phi>1$ で濃厚。
$$T_{ad} = T_u + \frac{\Delta H_c \cdot Y_f}{c_p}$$
断熱火炎温度（K）：$\Delta H_c$ は発熱量（J/kg）、$Y_f$ は燃料質量分率、$c_p$ は定圧比熱。
$$\dot{m}_{air} = \frac{\dot{m}_{fuel}}{\phi \cdot (F/A)_{stoich}}$$
必要空気質量流量（kg/s）：$\phi$ と化学量論比から求まる。
燃焼計算シミュレーターとは
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「当量比φ」って名前からして難しそうですが、簡単に言うとどういう意味ですか？
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大まかに言うと「燃料と空気の混合の濃さ」だよ。φ=1がちょうど燃料を完全燃焼させるのに必要な理論的な空気量。スライダーを左に動かして0.7にすると、空気が多すぎる「希薄混合」。右に動かして1.5にすると燃料過剰な「濃混合」になる。ガスコンロの炎が青いのは希薄、オレンジの炎は濃いか不完全燃焼のサインだよ。
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「炎アニメーション」タブを開いたら、φを変えると炎の色が変わりました！希薄だと青っぽくて、濃いと赤くなりますね。これって実際の炎と同じですか？
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よく気がついたね。実際の炎でもその通り。希薄混合（φ<1）は酸素が豊富で完全燃焼しやすいから、青い炎になりやすい。これが理想的な状態。逆にφ>1.2あたりまで上げてみて。炎の色が赤くなって、画面上部に煙っぽいモヤが出てくる。これが不完全燃焼で発生するすすや一酸化炭素を表現してるんだ。
🙋
「生成物組成」タブのグラフで、φ=1を超えたあたりから突然COが増えますね。なぜこのタイミングでCOが出るんですか？
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酸素が不足するからだよ。メタンを例にすると、CH4の完全燃焼には2モルのO2が必要。φ=1では酸素がちょうど足りる。φ>1になると供給O2が足りなくて、一部の炭素がCO2まで酸化されず、途中のCO（一酸化炭素）で止まってしまう。グラフのCO曲線がφ=1でカクっと上がり始めるのは、まさにその「酸素不足の臨界点」なんだ。
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「T_ad vs φ 曲線」タブを見ると、希薄側（φ<1）で温度が低く、当量比を上げるほど断熱火炎温度が上がっていきますね。実機では理論混合比のすぐ濃い側（φ≈1.05）が最高温度と聞きますが、この曲線とどう違うんですか？
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希薄側（φ<1）では過剰な空気が燃焼熱で温められてしまうため温度が低い。本ツールは生成物の比熱を一定とし、高温での解離（CO₂⇌CO+½O₂など）を無視した簡易モデルなので、濃側でも温度が下がらず単調に上昇するカーブになる。実際の燃焼では解離が吸熱として効くため、最高温度は理論混合比のわずかに濃い側（φ≈1.05前後）でピークを迎え、それ以上濃いと下がる。ガスタービンや工業炉では、この最高温度点を材料の耐熱限界と照らし合わせて運転点を決めるんだ。
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水素（H2）に切り替えると、T_ad曲線が他の燃料より高くなりますね。CO2も0ですし、水素燃料は最強ですか？
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CO2排出ゼロという意味では確かにクリーンだね。でもデメリットもある。断熱火炎温度が高い（約2500K超）ということは、大気中のN2とO2が反応してNOx（窒素酸化物）が大量に発生しやすい。これは大気汚染の原因になる。だからNOx対策として低φで希薄燃焼させたり、水蒸気を混ぜて温度を下げる工夫が必要なんだ。「最強」とは言えない、一長一短があるよ。
物理モデルと数式
メタン（CH₄）の化学量論的完全燃焼反応
$$\mathrm{CH_4 + 2\left(O_2 + 3.76\,N_2\right) \rightarrow CO_2 + 2\,H_2O + 7.52\,N_2}$$
当量比φを導入すると、実際の反応物中の酸素量は化学量論量の $1/\phi$ 倍となります：
$$\mathrm{CH_4 + \frac{2}{\phi}\left(O_2 + 3.76\,N_2\right) \rightarrow \sum_i n_i\,\text{Product}_i}$$
φ < 1（希薄）では残余O2が生成物に含まれ、φ > 1（濃）ではCOと未燃H2が生じます。
断熱火炎温度のエンタルピーバランス
$$\sum_{\text{reactants}} n_i \left[\Delta H_{f,i}^\circ + \int_{T_\text{ref}}^{T_\text{in}} C_{p,i}(T)\,dT\right]
= \sum_{\text{products}} n_j \left[\Delta H_{f,j}^\circ + \int_{T_\text{ref}}^{T_\text{ad}} C_{p,j}(T)\,dT\right]$$
$n_i, n_j$: 反応物・生成物のモル数 | $\Delta H_f^\circ$: 標準生成エンタルピー
$C_p(T)$: 温度依存の定圧比熱 | $T_\text{ad}$: 断熱火炎温度（求める未知数）
本ツールでは比熱を一定近似（$C_p = \text{const}$）として計算：
$$\Delta T \approx \frac{\Delta H_\text{rxn}}{\sum_j n_j C_{p,j}}$$
よくある質問
自動車では排ガス中のO2センサー（λセンサー）が排気ガス中の残存酸素を測定し、φ（正確にはλ=1/φ）をリアルタイムで計算します。燃焼研究では、燃料と空気の質量流量を正確に計測して$\phi = (m_f/m_a)/(m_f/m_a)_\text{stoich}$を求めます。
外部への熱損失がゼロという理想条件を仮定しているからです。実際の燃焼器では壁面への放熱、熱放射、不完全混合などによって実際の火炎温度はT_adより低くなります。T_adは理論上の最高温度であり、材料の耐熱設計では安全マージンの基準値として使います。
実際の燃焼器では、燃料と空気の混合が不均一なため、理論空気量（φ=1）ではどこかでCOが発生します。10〜30%の過剰空気を加えることで不完全燃焼を防ぎます。ただし過剰空気が多すぎると排ガス損失が増え、NOxも増加する（希薄でも高温部でNOxが発生）ためバランスが重要です。
CO2排出量は燃料の炭素含有量に依存します。シミュレーターの「CO2 (kg/kg)」を見ると、メタン（CH4）が最小でオクタンが最大です。プロパン（C3H8）はLPGの主成分でガソリンよりCO2が少なく、都市部のクリーン燃料として使われます。ただし発熱量当たりのCO2（carbon intensity）で比較する必要もあります。
本ツールは化学量論的な平衡近似を用いており、比熱を定数として扱います。実際の燃焼ではCO⇌CO2の乖離反応、NO/NO2生成、Cpの温度依存性などが無視されるため、2000K超の高温域では±10〜15%程度の誤差があります。教育目的・傾向把握には十分ですが、設計値にはCantera等の詳細反応計算を推奨します。
EGR（Exhaust Gas Recirculation）は排ガスの一部を吸気に混ぜることで燃焼温度を下げてNOxを削減する技術です。本ツールでは直接EGR率を設定する機能はありませんが、実効当量比を下げる（φを減らす）ことや入口温度T_inを上げることで、部分的にEGRの効果を模擬できます。
実世界での応用
産業での実際の使用例
自動車業界では、ガソリンエンジン（C₈H₁₈）の燃焼室設計において、当量比φを0.8〜1.2の範囲で変化させながらノッキング限界や排ガス組成（CO・NOx）を事前予測。トヨタや日産の次世代エンジン開発で、希薄燃焼による熱効率向上と三元触媒の適合性評価に活用されている。また、水素バーナー（H₂）を用いた鉄鋼業の加熱炉では、火炎温度とNOx生成量のトレードオフをリアルタイムで検討し、三菱重工が実炉のバーナー配置最適化に採用している。
研究・教育での活用
大学の燃焼工学実験では、CH₄とC₃H₈の燃料種変更による断熱火炎温度の違いを学生が直感的に理解。当量比を0.6（希薄）から1.4（濃混合）までスライドさせると、炎アニメーションが青色から黄色に変化し、理論空燃比付近で最高温度を示す現象を視覚的に学習できる。東京工業大学の講義では、本シミュレーターを用いて火炎速度と生成物平衡の基礎を、実験装置不要で体感させる教材として採用されている。
CAE解析との連携や実務での位置付け
本ツールは詳細なCFD燃焼解析（Converge・STAR-CCM+）の前段階として使用。例えば、ガスタービン燃焼器の設計では、まず当量比φを変えたパラメトリックスタディで最適空燃比を絞り込み、その後3D-CAEで乱流火炎モデルに境界条件を引き継ぐ。実務では、エンジニアが「燃焼計算シミュレーター」で即座に得た平衡組成を、後続の熱流体解析の初期値や検証データとして活用し、試作回数を30%削減する効果を上げている。
よくある誤解と注意点
「当量比φ=1（理論混合比）が最も高温になる」と思いがちですが、実際には燃料種によって最大火炎温度となる当量比はわずかに異なり、多くの炭化水素燃料ではφ=1.0〜1.1付近でピークを迎えます。また、水素（H₂）は他の燃料より火炎速度が極めて速く、希薄限界も広いため、同じ当量比でも燃焼挙動が大きく異なる点に注意が必要です。さらに、「空燃比は燃料種によらず同じように変化する」と誤解されがちですが、実際には燃料の化学量論的空気要求量が異なるため、同じ当量比でも燃料ごとに空燃比の絶対値は大きく変わります。シミュレーターではこれらの違いをリアルタイムで確認できるため、理論値と実際の燃焼現象のギャップを理解する上で有用です。