2018 Fiscal Year Research-status Report
Investigation on Boundary Layer Combustion of Liquefying Fuel with Low Viscosity in Acceleration Environment
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18K13926
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| Research Institution | Kyushu Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小澤 晃平 九州工業大学, 大学院工学研究院, 助教 (90801879)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 低融点液化燃料 / 境界層燃焼 / 燃焼可視化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度の初めの理論検討の結果、ロケットの飛翔環境で生ずる体積力では燃料液滴の弾道は大きく変化しないと予測したため、本研究ではロケット飛翔中の加速度環境が、融解した燃料液膜の不安定性、燃料液滴飛散流量、燃料後退速度特性にどのように影響するかという点に焦点を絞ることとした。
本年度は矩形のガラス窓付き燃焼可視化バーナを横置き(流路と垂直方向1Gの加速度)と縦置き(流路方向1Gの加速度)に設置して燃焼させ、ワックス燃料の境界層燃焼にどのような違いが見られるかを高速度カメラによる影写真法を用いて可視化した。実験条件は、大気圧下、酸化剤質量流束40～70kg/m2s、燃焼時間5秒以下であった。
横置き条件の定常燃焼時には、従来研究の予測通り、融解した燃料の波がほぼ一定の波高と波長を持って燃料液膜表面に細かく形成されて進行する様子が見え、燃料液滴が散発的に飛散する様子も捉えることができた。定常状態の境界層燃焼場中で火炎の輻射光を排除し、液化燃料の燃料液膜不安定性を明確に可視化したのは世界初の成果である。また、液化燃料は飛散後すぐにカメラから見えなくなり、気化して燃焼反応を開始することも確認できた。
一方、縦置き条件では、燃料液膜が安定化されることがわかった。燃焼中に燃料液膜の高さは微小擾乱が見えるのみであり、燃料液滴の飛散現象も観察されなかった。
これらの結果はロケットの飛翔環境よりも遥かに小さい1G程度の体積力でも、ワックス燃料のような低粘性液化固体燃料の境界層燃焼内部弾道特性に大きな影響を及ぼしうることを示唆している。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初計画では初年度中に高圧条件での可視化実験を行う予定であったが、研究開始当初に用いた燃焼器では流路前後部の燃焼器本体と可視化窓の段差で再循環領域が形成されてしまい、適切な燃焼可視化ができなかった。そのため、今年度は改良型燃焼器の開発と大気圧中の燃焼場取得を優先した。結果として現在は全体として3ヶ月-半年程度の遅れが生じている。
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| Strategy for Future Research Activity |
有効な実験回数が縦置き横置きで各3回程度と少ないため、大気圧での燃焼実験を継続する。また、酸化剤供給系を高圧ガス製造設備として申請し、次年度7月までにチョークノズルを利用した超臨界圧下での燃焼可視化実験を実施する。並行して、ロケットスレッドを用いた加速度環境下での燃焼可視化実験系開発を行い、次年度秋季に実験を実施する。また、燃料表面の液膜の波長や振幅データを整理することで、加速度環境との相関を調べる。
一方、液化燃料として流れ出る燃料流量や、総燃料後退速度の評価については、矩形燃焼器と矩形燃料を利用する場合は酸化剤質量流束と燃焼面積が評価できないため実験系として不適当であることがわかった。別途円筒形状の燃焼器とグレインを製作して、燃料後退速度取得と流出する液膜流量のみを評価する燃焼実験を可視化実験と独立して実施することも検討している。
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