気液二相デトネーションの伝播機構解明：特性長評価に基づく主支配因子の同定

• Project/Area Number: 21K14094
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 渡部 広吾輝 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (20881238)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,680,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥1,080,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2021: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
• Keywords: デトネーション / 気液二相デトネーション / 一次元定常モデル / 伝播特性 / 特性長

Outline of Research at the Start

数km毎秒という高速で伝播する燃焼現象であるデトネーションは高性能な次世代エンジンへの応用が期待される．その実用化のための課題である液体燃料または液体酸化剤の使用には気相と液相を含む気液二相デトネーションに対する知見が必須となるが，その伝播機構や影響因子は十分に解明されていない．本研究では，デトネーションと液滴の特徴的な長さスケールを用いて分析する申請者の独自の手法によって物理現象の整理する事で，伝播機構の解明とそれに影響を与える要因の特定を目指す．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，次世代燃焼器への応用が期待される燃焼形態であるデトネーション燃焼の中でも液滴を含む気液二相デトネーションに関して，デトネーションと液滴の特徴的な長さスケールを用いて分析する事で伝播機構の解明とそれに影響を与える要因の特定を目指している．
本年度(2021年度)は液滴の分裂を考慮したEulerian-Lagrangian手法に基づく二次元数値解析モデルを基に水液滴を含む気液二相デトネーションに対する定常一次元モデルの新規開発に成功した．水液滴や気相の諸条件から水液滴を含む気液二相デトネーションの伝播速度を決定するために用いるGeneralized CJ conditionの導出も達成できた事により，水液滴や気相の諸条件を変化させた時の気液二相デトネーションの伝播速度を予測できるようになった．
水液滴を含む気液二相デトネーションの一次元定常モデルを用いて，水液滴や気相の諸条件を用いて反応誘導距離と液滴の分裂が完了する距離の関係性を変化させる事で，先行研究で確認されたように反応誘導距離よりも前方で液滴の分裂が完了する場合では気相の反応性が変化する事を定量的に示した．一方で，反応誘導距離よりも後方で液滴の分裂が完了する場合では，気相の反応性が変化せず，水液滴を含む気液二相デトネーションの一次元構造は液滴を含まない気相デトネーションと同様となる事が明らかになった．さらに，他の条件は一定として水液滴の初期液滴直径を変化させた場合に，水液滴を含む気液二相デトネーションの伝播速度は非単調に変化する事が一次元定常モデルを用いた計算から明らかになった．

Research Products

• [Presentation] Numerical analysis on the breakup of dilute water spray in gaseous detonation (2022)
  • Author(s): Hiroaki Watanabe, Akiko Matsuo, Ashwin Chinnayya, Ken Matsuoka, Akira Kawasaki, Jiro Kasahara
  • Organizer: 28th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The comparison of Favre average procedure for the gaseous detonation from Eulerian and Lagrangian point of view (2022)
  • Author(s): Hiroaki Watanabe, Akiko Matsuo, Ashwin Chinnayya, Noboru Itouyama, Akira Kawasaki, Ken Matsuoka, Jiro Kasahara
  • Organizer: 28th International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mean structure and droplet behavior in gaseous detonation with dilute water spray (2021)
  • Author(s): Hiroaki Watanabe, Akiko Matsuo, Ashwin Chinnayya, Ken Matsuoka, Akira Kawasaki, Jiro Kasahara
  • Organizer: Young researchers’ forum on detonation: from fundamentals to application
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Flight Demonstration of Detonation Engine System Using Sounding Rocket S-520-31: Flight Path and Attitude (2021)
  • Author(s): Hiroaki Watanabe, Koichi Matsuyama, Ken Matsuoka, Akira Kawasaki, Noboru Itouyama, Keisuke Goto, Kazuki Ishihara, Valentin Buyakofu, Tomoyuki Noda, Shiro Ito, Jiro Kasahara et al.
  • Organizer: AIAA Scitech Forum and Exposition 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] In-Space Flight Demonstration Results of a Detonation Engine System on Sounding Rocket S-520-31: Flight Path and Attitude (2021)
  • Author(s): Hiroaki Watanabe, Koichi Matsuyama, Ken Matsuoka, Akira Kawasaki, Noboru Itouyama, Keisuke Goto, Kazuki Ishihara, Valentin Buyakofu, Tomoyuki Noda, Shiro Ito, Jiro Kasahara et al.
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 研究者業績
  • URL: https://researchmap.jp/hiroaki.watanabe