Experimental and Numerical Research on Heat Transfer and Phase Change Enhanced by Sloshing

• Project/Area Number: 19760560
• 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: HIMENO Takehiro The University of Tokyo, 大学院工学系研究科, 准教授 (60376506)
• Project Period (FY): 2007 – 2008
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2008)
• Budget Amount: ¥3,690,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2008: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2007: ¥2,000,000 (Direct Cost: ¥2,000,000)
• Keywords: 航空宇宙流体 / 推進 / 液体ロケット / 相変化 / スロッシング / 自由表面流 / 微小重力 / 数値流体力学 / ロケット / 伝熱 / 表面張力

Research Abstract

本研究では、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の両面から詳しく調べた。加速度振幅を様々に変えた実験を通じ、密閉容器内部における液体揺動(スロッシング)の規模と圧力変動の相関を定量的に整理した。その結果、スワールモードや砕波などの非線形的な液体揺動の出現と容器内圧力変化に強い相関が確認され、容器内の気相への熱伝達が著しく促進されることが確認された。また、関連する流体機器の設計に不可欠な基盤技術として、自由表面流の数値解析手法(CIP-LSM)を高度化し、気液界面での物理量不連続を1 計算格子以内で捕捉するとともに、気相側の状態方程式を考慮しつつ温度場の解析を可能にする界面熱伝達モデルおよび相変化モデルを考案した。

Research Products

• [Journal Article] 様々な加速度環境における自由表面流の数値解析 (2008)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Journal Title: 日本応用数理学会誌 "応用数理" Vol.18, No.1 Pages: 128-139
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 様々な加速度環境における自由表面流の数値解析 (2008)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Journal Title: 日本応用数理学会誌"応用数理" 18 Pages: 128-139
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow and convective heat transfer in a micro tube (2007)
  • Author(s): K. Fukagata, N. Kasagi, P. Ua-arayaporn and T. Himeno
  • Journal Title: Int. J. Heat and Fluid Flow Vol.28 Pages: 72-82
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Numerical Study on Flow Induced Vibration of LOX Post in Liquid Rocket Engine Preburner (2007)
  • Author(s): C Inoue, T. Watanabe and T. Himeno
  • Journal Title: International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems Vol.1, No.1 Pages: 22-29
  • NAID: 130007945619
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 加振液体噴流における分裂過程と内部構造の数値解析 (2007)
  • Author(s): 井上智博、渡辺紀徳、姫野武洋
  • Journal Title: 日本機会学会論文集(B編) 73巻 Pages: 2397-2402
  • NAID: 110006532792
  • Peer Reviewed
• [Presentation] リングバッフルによる大振幅スロッシング抑制効果の数値解析 (2009)
  • Author(s): 姫野武洋, 野中聡, 成尾芳博, 青木広太郎, 渡辺紀徳, 稲谷芳文, 青木宏
  • Organizer: 日本航空宇宙学会第49回航空原動機・宇宙推進講演会
  • Place of Presentation: 長崎
• [Presentation] Development of Effective Algorithms for the Analysis of Free-surface Flows under Various Conditions in Gravity (2008)
  • Author(s): T. Himeno
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Propulsion for Space Transportation
  • Place of Presentation: Heraklion
• [Presentation] Numerical Analysis of Sloshing in Tank for Reusable Sounding Rocket (2008)
  • Author(s): T. Himeno, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani, H. Aoki and T. Watanabe
  • Organizer: ISTS-2008-a-14, 26th International Symposium on Space Technology and Science
  • Place of Presentation: Hamamatsu
• [Presentation] Preliminary Investigation on Heat Exchange Enhanced by Sloshing (2008)
  • Author(s): T. Himeno, Y. Umemura, T. Watanabe and H. Aoki
  • Organizer: AIAA 2008-4055, The 43rd AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • Place of Presentation: Hartford
• [Presentation] 濡れ性に駆動される液体の数値解析 (2008)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 日本計算工学会第13回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 仙台
• [Presentation] スロッシングに促進される気液熱交換と相変化の数値解析 (2008)
  • Author(s): 姫野武洋, 梅村悠, 渡辺紀徳, 野中聡
  • Organizer: 日本機械学会第21回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 沖縄
• [Presentation] CIP-LSM 法を用いた自由表面流解析の非構造格子系への拡張 (2008)
  • Author(s): 小野智之, 宮本康治, 姫野武洋
  • Organizer: 日本機械学会第21回計算力学講演会
  • Place of Presentation: 沖縄
• [Presentation] Development of Effective Algorithms for the Analysis of Free-surface Flows unclen (2008)
  • Author(s): T. Himeno
  • Organizer: The 2nd International Symposium on Propulsion for Space Transportation
  • Place of Presentation: Heraklion, Greek
• [Presentation] Preliminary Investigation on Heat Exchange Enhanced by Sloshing (2008)
  • Author(s): T. Himeno, Y. Umemura, T. Watanabe and H. Aoki
  • Organizer: The 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • Place of Presentation: Hartford, US.
• [Presentation] 濡れ性に駆動される液体の数値解析 (2008)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 日本計算工学会第13回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 仙台市, 宮城県
• [Presentation] Numerical Analysis of Sloshing and Wave Breaking in a Vessel by CIP-LSM (2007)
  • Author(s): T. Himeno, T. Watanabe
  • Organizer: The 3rd. APCOM'07
  • Place of Presentation: 京都
  • Year and Date: 2007-12-05
• [Presentation] Numerical and Experimental Investigation on Sloshing in Rocket Tanks with Damping Devices (2007)
  • Author(s): T. Himeno, T. Watanabe, S. Nonaka, Y. Naruo, Y. Inatani, H. Aoki
  • Organizer: The 43rd. AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit,
  • Place of Presentation: 米国、シンシナティ
  • Year and Date: 2007-07-11
• [Presentation] CIP法、MARS法、Level Set法を協調した自由表面流解析法 (2007)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 第12回 日本計算工学会講演会
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-05-24
• [Presentation] Numerical and Experimental Investigation on Sloshing in Rocket Tanks with Damping Devices (2007)
  • Author(s): T. Himeno, T. Watanabe, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani and H. Aoki
  • Organizer: AIAA 2007-5557, The 43rd AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • Place of Presentation: Cincinati
• [Presentation] Numerical Analysis of Sloshing and Wave Breaking in a Vessel by CIP-LSM (2007)
  • Author(s): T. Himeno and T. Watanabe
  • Organizer: APCOM'07 in conjunction with EPMESC XI
  • Place of Presentation: Kyoto
• [Presentation] CIP法、MARS法、Level Set法を協調した自由表面流解析法 (2007)
  • Author(s): 姫野武洋
  • Organizer: 日本計算工学会第12回計算工学講演会
  • Place of Presentation: 東京
• [Presentation] Level Set法、CIP法、VOF 法を協調させた界面追跡法 (2007)
  • Author(s): 姫野武洋,渡辺紀徳
  • Organizer: 日本機械学会2007年度年次大会講演
  • Place of Presentation: 大阪
• [Presentation] バッフル板によるスロッシング抑制効果の数値解析 (2007)
  • Author(s): 姫野武洋, 野中聡, 青木広太郎
  • Organizer: 第21回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
• [Remarks] T. Himeno, T. Watanabe, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani and H. Aoki, Best Paper Award (Liquid Propulsion), American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA). 2008年7月(贈賞)
• [Remarks] 姫野武洋, 優秀講演論文賞, 日本計算工学会第13回計算工学講演会, 2008年12月(贈賞)
• [Remarks] 姫野武洋, 優秀講演表彰, 日本機械学会第21回計算力学講演会, 2009年3月(贈賞)
• [Remarks]
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/research/twophase/
• [Remarks]
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/research/twophase/index.html