| Project/Area Number |
22KJ0235
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| Project/Area Number (Other) |
22J11022 (2022)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2023)
Single-year Grants (2022) |
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| Section | 国内 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
平井 遼 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2023-03-08 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2023: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2022: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
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| Keywords | 数値流体計算 / 衝撃波 / 壁面熱流束 / 非定常物理 / ロケットエンジン / 航空宇宙工学 / 流体数値計算 / 圧縮性流体 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究ではロケットエンジンノズル内部で生じる衝撃波振動現象の物理解明とその制御手法の提案を目的としている．ノズル内部で生じる衝撃波の振動はノズル内壁を流れる乱流境界層を剥離させノズル内流れ場の非対称性をもたらすことで，ノズルに加わる圧力の不均衡を生じさせる．その結果ノズルを横方向に振動させる過大な応力が加わり，ノズルの構造破壊へと至る恐れがある．そのような危険な事態を軽減もしくは事前予測するために，本研究では数値計算を用いてノズル内の衝撃波振動現象を再現し，その発生メカニズムを解明する．さらに，壁面を冷却することによる衝撃波振動抑制効果を検証し，効果的な振動制御手法の提案を目指す．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、ロケットエンジンノズルを振動させ構造的な破壊を招く恐れのあるノズル内衝撃波自励振動現象について、壁面の冷却や衝撃波による乱流境界層への干渉効果を正しく再現することのできる数値計算モデルを活用することで、衝撃波振動を数値計算で忠実に再現し、かつその物理メカニズムを解き明かすことを目的として行われた。初年度は衝撃波によって生じる境界層剥離などの複雑流体物理現象に対する数値計算モデルの妥当性検証が行われ、境界層剥離サイズや壁面圧力振動スペクトルなどを忠実に再現できることが確認された。さらにオリジナルのモデルから一部パラメータを修正することにより壁面の加熱及び冷却の影響についても適切に再現可能となることが明らかとなり、ロケットエンジンノズル内の流れ場を計算するにあたり非常に有効な数値計算手法を確立することができた。この成果を受けて最終年度においては、簡素化したロケットエンジンノズルの数値計算を過膨張条件下で実施し、衝撃波の自励振動現象を再現することに成功した。この数値計算は実験と同程度のレイノルズ数で実施され、計算で得られた衝撃波振動周波数のピークは実験で観測されたものと一致している。さらに、これまで詳細に知られていなかった壁面冷却による効果も本研究課題で明らかにされ、壁面冷却により乱流境界層の剥離が縮小した結果、衝撃波振動が抑制されるという知見が得られた。壁面温度を変えたこれらの数値計算結果は境界層剥離と衝撃波振動の密接な関係性を示しており、衝撃波振動の物理メカニズムについて、境界層剥離が発達してノズルの有効出口面積が変化することでノズル内の圧力バランスが変わり、衝撃波が駆動されているという示唆が得られた。
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