作動流体のフラッシュ蒸発を伴う超音速マイクロノズルのチョーク現象の解明と応用

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06452176
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 松尾 一泰 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 教授 (30037759)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮里 義昭 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助手 (30253537) ; 青木 俊之 九州大学, 大学院・総合理工学研究科, 助教授 (20150922)
• Keywords: 圧縮性流体 / 超音速ノズル / チョーク現象 / フラッシュ蒸発 / マイクロノズル

Research Abstract

本年度の研究により得られた成果はつぎのとおりである。
1.高温高圧に圧縮された液体が先細ノズルによって膨脹加速され、フラッシュ蒸発が起こる場合の流れを解析し、流れのチョーク現象を明らかにした。チョーク条件は圧縮液の初期圧力とサブク-ル度に依存し、ノズルスロートでチョークする場合と、スロート以外の断面でチョークする場合があることを示した。
2.上記の各ケースについて、等エントロピー流れで、気相の液相間の相対速度がなく、熱力学的に平衡であると仮定して、臨界質量流量を算出する流れモデルをつくった。臨界質量流量はサブク-ル度が一定の場合には初期圧力が大きいほど、また初期圧力が一定の場合にはサブク-ル度が大きいほど増加する。このモデルによる計算値は実験結果とよく一致する。
3.フラッシュ蒸発によって生じる圧縮性気泡流内を伝播する圧力波の特性を実験的に調べるとともに、管の弾性を考慮しない場合とする場合の圧力波の伝播速度を解析的に求めた。ボイド率が約1%以下の場合、圧力波の伝播速度の実験値は管の弾性を考慮に入れた解析結果とよく一致し、約1%以上の場合の実験値は管の弾性を考慮しなくても解析結果と一致する。
4.気体のみの単相流に対する超音速マイクロノズルからの噴流の特性は、出口マッハ数のみならず、ノズル出口直径を代表長さとし、出口状態の速度や粘性係数に基づくレイノズル数に依存する。しかしこのレイノズル数が約3000以上あれば、出口マッハ数のみに依存し、レイノズル数にほとんど無関係になる。

Research Products

• [Publications] 宮里義昭: "超音速ノズルにおける乱流境界層の発達" 九州大学総合理工学研究科報告. 16・3. 315-322 (1994)
• [Publications] 宮里義昭: "超音速ノズルにおける過膨張流れの特性" 可視化情報. 15・2. 23-26 (1995)
• [Publications] 片野田洋: "不足膨脹軸対称超音速噴流の数値計算" 日本機械学会論文集. 61・589. 3236-3242 (1995)
• [Publications] 松尾一泰: "フラッシュ蒸発を伴う圧縮水の先細ノズルにおける臨界流量" 九州大学総合理工学研究科報告. 18・1. 11-18 (1996)