2020 Fiscal Year Research-status Report
Combuarion oscillation dynamics of liquid rocket engine combustor with a pintle injector
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18K04558
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 液体ロケットエンジン / 燃焼振動 / モード解析 / 固有直交分解 / 動的モード分解 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ピントル型噴射器は燃料と酸化剤を軸方向と半径方向に噴射し，衝突させることで微粒化させる噴射器でありシンプルな構造を持ち，ディープスロットリングが可能である．一方で同軸型噴射器と比較して，効率が低く安定で高効率な燃焼のためにはその燃焼メカニズムの理解が必要である．本研究はエタノール/LOxを用いたピントルインジェクタを備えるロケットエンジンモデル燃焼器の燃焼試験を実施している．本年度は，LOxポストのインジェクタ形状をスリット型およびスポーク型とし，燃焼試験を実施している．燃焼効率と微粒化の関係を調べるため，スポーク型インジェクタにおいては，インジェクタオリフィスの高さをパラメータとした燃焼試験を実施した．燃焼効率に及ぼすインジェクタオリフィスの高さ影響はほとんど観察されなかった．また，噴射孔数も変化させて実験を実施したが，影響は限定的であった．一方で，燃焼圧力変動が大きいと燃焼効率が大きくなることがわかり，DCシフトのような現象が起きている．LOxの噴射孔がスリット型とスポーク型ではスリットの方が燃焼効率は高かったが，燃焼振動もまた大きい．可視化燃焼器を用いて分光測定やCH*化学発光測定を行い，動的モード分解により長さ方向の振動モードを明確に捉えている．
噴射器の違いにより微粒化特性にどのような違いがあるのかを調べるため，非燃焼場において水を用いて微粒化特性を調べた．バックライトを使用した噴霧の影挙動に対し高速度カメラを使用して詳細に測定を行った．ここではWe数をパラメータとして実験を実施した．We数が大きいほど液膜や液滴の分裂速度が大きく，より小さな液滴が生成されていると予測される．燃焼実験においてもWe数の増加により，燃焼効率が改善した結果が得られている．スリットタイプとスポークタイプでは噴霧の形成過程に違いが観察された．今後これらの微粒化特性の違いを定量的に測定する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本年度においては，COVID-19の影響で担当学生の登校機会や実験の実施機会が制限された．実験準備，実験装置の製作に遅れも生じた．また，実験実施時においても極限環境での試験となるため，光学可視化窓の破損等により実験が中断してしまった．また，例年2キャンペーン確保していた実験機会が1度に制限されたため，実験ラン数が制限された.
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，エタノール/LOXを推進剤とするロケットエンジンモデル燃焼器を用いた実験を実施することで，燃焼場におけるダイナミクスの測定や非燃焼場における噴霧特性の取得を目指す．本研究において，ピエゾ圧力センサを用いた時間分解された高速度の圧力測定と高速度の光学測定を同時に実施する．燃焼時において，スポーク型ピントル噴射器を用いてCH*化学発光の可視化高速度測定を実施することで，画像ベース診断を実施する．取得したデータに対して，ガボールフィルタを用いた動的モード分解を実施することで，事変で非定常なダイナミクスに対する知見を得る．さらにカーネルトリックを応用したカーネル-DMDを実施することで，非線形拡張し，卓越する振動成分の周波数とそれに対応する空間モードを取得する．周波数と空間モードから内在する燃焼不安定性に関する知見を得る．スリット噴射器を使用して測定したCH*化学発光との比較を行い，スリット型とスポーク型噴射器の場合の燃焼ダイナミクスの違いについて考察する．
また，非燃焼場においては微粒化挙動を定量的に調べる．スリット型およびスポーク型噴射器に対して，噴霧に含まれる液滴径分布を取得する．燃焼場における噴射器パラメータと燃焼場の関連について定性的に議論を行ってきた．本年度はILIDSによる液滴粒度測定を実施ことで定量的に現象を理解する．液滴平均粒径や分布形状の影響を明確にし，We数が噴霧微粒化特性に及ぼす影響や燃焼効率に及ぼす影響を明らかにする．
以上の実験により亜臨界環境下におけるサウンディングロケットエンジン規模の燃焼器内の現象に関して，特に燃焼振動の発生要因やインジェクタ形状，噴霧，燃焼効率の関係に着目して明らかにする．さらに，本研究によりロケットエンジン燃焼器設計に有用な知見の獲得を目指す．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウィルスの影響により，学生の投稿制限や実験実施場所や機会において制限があり，予定していた実験期間の確保ができなかった．それに伴い，実験期間を延期し，本年度においては実験に必要や光学部品，燃焼器部品や旅費などに使用する予定である．
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