2018 Fiscal Year Annual Research Report
回転デトネーションの伝播モードダイナミクス解明と燃焼器設計指針の確立
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17H03478
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
石井 一洋 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (20251754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
片岡 秀文 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10548241)
前田 慎市 埼玉大学, 理工学研究科, 准教授 (60709319)
小原 哲郎 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (80241917)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 推進 / エンジン / デトネーション / 衝撃波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、回転デトネーションエンジン（RDE）の運転条件や燃焼器サイズ等の設計パラメーターが伝播モードに及ぼす影響を系統的に調べ、伝播モードを支配する因子を特定するとともに、伝播モードと推力との関係について調べることで回転デトネーションエンジンの安定作動条件を明らかにし、普遍的な燃焼器の設計指針を確立することを目的とするものである。
平成３０年度は、外径50 mm、内径42 mmの円環状燃焼室を有する燃焼器Aと、外径95 mm、内径103～115 mmの円環状燃焼室を有する燃焼器Bという、サイズの異なる2種類の燃焼器を用いた。燃料にはメタン、酸化剤には酸素を使用し、当量比1で実験を行った。両燃焼器とも、メタンは軸方向よりオリフィスを通して、酸素は円周方向よりスリットを通して供給しており、スリットおよびオリフィスの断面積を変化させることで，当量比と供給流量を独立に制御できる構造となっている．
その結果、以下の知見が得られた。①同一波頭数のままで推進剤質量流量を増加させると、燃焼器Aでは回転デトネーション波（RDW）の作動周波数がわずかに増加するが、燃焼器Bでは作動周波数がほぼ一定の値を示す。②同一の推進剤質量流束（推進剤質量流量を断面積で除したもの）で比較すると、燃焼器サイズが大きくなるとRDW波頭数および無次元作動周波数はともに増加するが、波頭数が変化する際の推進剤質量流束は燃焼室サイズに依存する。③燃焼器サイズに関わらず、波頭数が増加するとRDWの速度は急激に減少する。④燃焼器サイズに関わらず、デトネーション高さは推進剤質量流束の増加とともに長くなり、ある上限値を超えると波頭数が増えるが、この上限値は波頭数によって異なる。⑤推力壁から圧力変換器までの距離 が長くなると、計測される最大圧力は低くなるが、デトネーション高さが増加すると最大圧力は高くなる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成３０年度は推力計測を行う予定であったが、屋外試験であるためRDEを設置している架台と床面との固定が十分ではなく、架台が振動して推力の時間履歴に大きな振動が重畳した。このため、推力計測と伝播モードとの関連付けは行わなかった。しかしながら燃焼器サイズが伝播モードに与える影響については、燃焼器Bの燃焼室幅を4 mm、6 mm、8 mmと３段階に変えることで、燃焼器Aとの比較において同一燃焼室幅、同一推進剤質量流束と異なる切り口で整理することが可能となり、当初想定していた以上の成果を得ることができた。
以上のことから、本研究は「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３１年度は、各種運転条件に対して推力計測を行い、伝播モードと推力性能の関係を調べることにより、回転デトネーション伝播モードを支配する因子を特定する。前年度に計測に問題が生じた推力計測では、架台と金属板上に固定し、その金属板を実験コンテナと一体化させることで架台の振動を防止する。推力性能解析を行った結果を基にRDE燃焼器の設計指針構築を行う。具体的には、①燃料と酸化剤の組合せを変化させて、回転伝播モードの特定と推力計測を行う②これまでの実験結果に基づき、推進剤供給圧力および供給量、燃焼器サイズをデトネーションの特性量を用いて無次元化し、回転デトネーション伝播モードマッピングを一般化する③1次元モデルにより、運転条件・推進剤を変化させて推力性能を求め、計算値と実験値の差異について検討を行う。
最終的には、これまでの３年間の研究成果を総括して、様々な運転条件、燃焼器サイズ、推進剤種類に対応可能なRDE燃焼器設計指針と性能予測方法を確立する。
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