Investigation of unsteady dynamics and modeling of LCH4/LOx rocket engine combustion

• Project/Area Number: 23K21004
• Project/Area Number (Other): 21H01528 (2021-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2021-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 中谷 辰爾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,810,000 (Direct Cost: ¥13,700,000、Indirect Cost: ¥4,110,000); Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2023: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000); Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000); Fiscal Year 2021: ¥11,830,000 (Direct Cost: ¥9,100,000、Indirect Cost: ¥2,730,000)
• Keywords: 液体ロケット / メタン / 超臨界 / 振動燃焼 / 化学発光 / 燃焼不安定性 / 数値流体解析 / 実在気体効果 / メタンロケットエンジン / 分光計測 / データ駆動型アプローチ / ロケットエンジン / 反応清熱流体 / データドリブンアプローチ / 反応性熱流体

Outline of Research at the Start

液化メタン(LCH4)/液体酸素(LOx)を推進剤とするロケットエンジン燃焼器内の反応性熱流体の挙動のモデリングおよび燃焼不安定性メカニズムの解明を目的とし，ロケットエンジンモデル燃焼器を設計製作し，実エンジン環境における燃焼試験および数値解析を実施する．計算結果や計測により得られる高空間分解，時系列高次元データに対し，線形および非線形なデータドリブンアプローチにより，低次元化および特徴量抽出を行う．Flamelet法を応用し，着火や消炎を適切に再現し，高精度な数値解析手法を構築する．それらにより超臨界環境に至る燃焼不安定性を含む燃焼ダイナミクスを明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

液体メタン/液体酸素を推進剤とするロケットエンジン燃焼器内の燃焼現象の解明およびモデリングを目的とし，実験および数値解析を行った．高圧力環境下におけるロケットエンジン燃焼器内で観察される，350nmから500nmに向けて観察されるブロードバンドな化学発光の特性を把握するため，急速圧縮機を用いた高圧高温環境下における燃焼において高速分光を実施した．水素/酸素富化空気燃焼，メタン/酸素富化空気燃焼の双方の燃焼においてこれらの分光データを取得し，これらの発光がH2O，CO2等の三原子分子以上の分子に起因する可能性が示された．
OH*およびCH*化学発光メカニズムを組み込んだ数値計算モデルを構築し，高温高圧力環境下での点火挙動における数値解析を実施した．OH*やCH*の濃度履歴に関して，概ね文献値と比較して良い一致が見られた．CFDに適用可能なモデルを構築した．
また，エネルギー分布にボルツマン分布を考慮したOH*，CH*の振動-回転スペクトルの理論計算を実施し，振動温度および回転温度を求めた．一次元平面火炎において，その推定温度に関して評価した．火炎帯に近いところでは，化学反応による励起が支配的となり，火炎温度に対して振動回転温度が高くなった．一方で，後流においては熱平衡的に概ね正確な温度が得られた．CH*の方が熱平衡からずれる領域が狭いが，信号強度が弱い．
CFDモデルに関して，遷臨界を含む環境における熱物性モデルを組み込んだ数値計算を実施した．PR-RKの状態方程式モデルを組み込み，熱物性値の変化に対して，実在気体効果を組み込んだ．超臨界に至る一次元対向流火炎において検証を行い妥当性を確認した．ピントル型インジェクタを用いた燃焼器の数値計算コードに上記モデルを組み込みを計算を実施し，基礎的な結果を得た．

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Presentation] Experimental and numerical study on atomization process of a Ethanol-LOX pintle injector (2023)
  • Author(s): Takuto Wada, Eliot Foss, Shinji Nakaya, Mitsuhiro Tsue, Ryuiciro Kanai, Takahiro Inagawa.
  • Organizer: The 10th Asian Joint Conference of Propulsion and Power
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Real Gas Effect on Transcritical Reacting Flow Around a Cryogenic Methane/Oxygen Pintle Type Injector (2023)
  • Author(s): Eliot Foss, Ren Fangsi, Shinji Nakaya, Mitsuhiro Tsue
  • Organizer: The 10th Asian Joint Conference of Propulsion and Power
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] OH A2Σ-X2Π分子発光スペクトルの理論計算に基づいた火炎温度測定 (2022)
  • Author(s): 李政勳, 任方思, 中谷辰爾, 津江光洋
  • Organizer: 第60回燃焼シンポジウム