様々な加速度環境における自由表面流の動的挙動予測と極抵温流体の貯蔵性評価

• Project/Area Number: 17760636
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 姫野 武洋 東京大学, 大学院工学系研究科, 講師 (60376506)
• Project Period (FY): 2005 – 2006
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2006)
• Budget Amount: ¥3,500,000 (Direct Cost: ¥3,500,000); Fiscal Year 2006: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000); Fiscal Year 2005: ¥2,300,000 (Direct Cost: ¥2,300,000)
• Keywords: 自由表面流 / 微小重力 / スロッシング / 数値流体力学 / ロケット / 伝熱 / 画像処理 / 非接触計測

Research Abstract

本研究では、様々な加速度環境で貯蔵容器内部の液体を望ましい位置に保持し、思い通りに搬送する"流体管理技術"の確立へ向け、主として宇宙機の推進薬タンク内部の自由表面流を対象とし、その熱流動特性を実験と数値解析により調べた。
実験では、宇宙機における動的な加速度環境を模擬するために、加振装置とアクリル製の供試体容器を設計製作した。本年度は、光の屈折を利用して液面の微小変形を非接触で検出し、液体揺動(スロッシング)の減衰率を取得する独自手法を用い、供試液体の液位、印加する加速度、容器形状および内部装備品形状を変化させた場合について、液体揺動の減衰率を計測し、本手法が高精度かっ短時間のうちに減衰率を評価できることを確認した。
数値解析については、申請者らが開発している自由表面流解法(CIP-LSM)を用い、加振実験と対応する計算を行って比較することにより、数値解が液体揺動のモードと固有振動数を適切に再現できること、ならびに、大振幅加振を与えて砕波を生じさせた場合についても、液面形状を精度良く模擬できることが確認された。さらに、気液界面で体積変化を考慮できる相変化モデルを考案し、上記の自由表面流解法に実装した。続いて、熱入力に伴って成長する気泡を模擬し、モデルが現象を適切に模擬できることを確認した。更に、熱流動と液面揺動が連成する問題に関して、密閉容器内部で発生する液面揺動に伴う界面熱伝達の促進が、気相の収縮・膨張を通じて容器内部の圧力急変の原因になることを計算で再現した。

Research Products

• [Journal Article] 界面張力に駆動される自由表面流の数値解析 (2006)
  • Author(s): 姫野 武洋, 渡辺 紀徳, 今井 良二
  • Journal Title: 日本マイクログラビティ応用学会誌 Vol.23,No.2 Pages: 99-105
  • NAID: 10017427676
• [Journal Article] Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow and convective heat transfer in a micro tube (2006)
  • Author(s): K.Fukagata, N.Kasagi, P.Ua-arayaporn, T.Himeno
  • Journal Title: Int.J.Heat and Fluid Flow Vol.28 Pages: 72-82
• [Journal Article] Numerical Analysis for Propellant Management in Rocket Tanks (2005)
  • Author(s): Takehiro Himeno, Toshinori Watanabe, Akira Konno
  • Journal Title: Journal of Propulsion and Power, AIAA Vol.21, No.1 Pages: 76-86