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2009 Fiscal Year Annual Research Report

超臨界燃焼流れにおけるメゾスケール熱物性モデル・燃焼反応モデルの開発

Research Project

Project/Area Number 19360092
Research InstitutionJapan Aerospace Exploration Agency

Principal Investigator

坪井 伸幸  Kyushu Institute of Technology, 工学研究院, 准教授 (40342620)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 越 光男  東京大学, 工学系研究科, 特任教授 (20133085)
津田 伸一  宇宙航空研究開発機構, 情報・計算工学センター, 研究員 (00466244)
林 光一  青山学院大学, 理工学部, 教授 (60156437)
清水 和弥  東京大学, 工学系研究科, 特任助教 (80373447)
徳増 崇  東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (10312662)
Keywords超臨界流体 / マルチスケール / 燃焼 / 熱物性
Research Abstract

液体ロケットエンジンや高負荷なディーゼルエンジンなどのエンジンで現れる超臨界燃焼流れに対して,分子動力学法や量子分子動力学法などを駆使したマルチスケール解析手法により酸水素燃焼反応における熱物性データや状態方程式の構築,燃焼反応モデルの構築を目指している.世界的に見てもこれらのデータは大きく不足しており,これらを構築することで超臨界燃焼流体を対象とした圧縮性燃焼流体の数値解析の発展に大きく貢献できると考えている.本年度の研究の成果としては,それぞれ次の通りになる.
熱物性データや状態方程式の構築については,低温水素に対するGAUSSIANO3を用いて分子軌道計算を行い,高精度の分子間ポテンシャルを求めた.このポテンシャルを用いて同様に温度・密度条件を与え分子動力学計算を行った.その結果,100K以上の超臨界領域においては,古典的手法を用いて水素の熱物性を再現できた.しかし,亜臨界領域においては高精度のポテンシャルを用いても水素の熱物性を再現することができず,実験値とも一致しなかった.このことから,液体水素の熱物性を再現する為には,古典的な手法ではなく,量子効果を考慮した非古典的な手法を用いる必要があることが明確に示された.
次に燃焼反応モデルについては,高圧における信頼性が高い詳細化学反応モデルの一つであるKoshi modelを引き続き改良してUT-JAXA 1.0として公表した.また,化学反応におけるstiffnessを改善するために,Rate-Controlled Constrained Equilibrium (RCCE) methodの検討をを酸水素燃焼およびメタン酸素燃焼に対して行い,どちらもstiffnessを改善するには効果的であることが示された.
最後に流体解析手法の改良として低速流れへの対応を実施した.特に新しい前処理型数値流束計算法としてAUSM+-upを新規に導入し,これまで使ってきた前処理型AUSMDVと同等の結果を得ることが確認できた.また,2次元円柱周りの非定常解析についても抵抗係数などへのRe数の依存性を調査し,特にRe>400では3次元性が流れ場に強く影響することを確認した.

  • Research Products

    (14 results)

All 2010 2009

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (13 results)

  • [Journal Article] The Determination of the Third Body Efficiencies for the H+O2+M=HO2+M reaction(M=Ar, H2O)2009

    • Author(s)
      Morii, Y., Tsuboi, N., Koshi, M., Ogawa, H., Hayashi, A.K., Shimizu, T
    • Journal Title

      Science and Technology of Energetic Materials Vol 20, No.5

      Pages: 117-121

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 非経験的ポテンシャルによる低温水素の熱物性評価2010

    • Author(s)
      永島浩樹, 徳増崇, 津田伸一, 坪井伸幸, 越光男, 林光一
    • Organizer
      日本航空宇宙学会北部支部2010年講演会ならびに第11回再使用型宇宙輸送系シンポジウム
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      20100310-20100311
  • [Presentation] 高圧条件下におけるCH4/O2の化学反応モデルの研究 : CH3O2を含む反応経路について2010

    • Author(s)
      坪井伸幸, 森井雄飛, 越光男, 林光一, 清水太郎, 小川博之
    • Organizer
      日本航空宇宙学会北部支部2010年講演会ならびに第11回再使用型宇宙輸送系シンポジウム
    • Place of Presentation
      仙台
    • Year and Date
      20100310-20100311
  • [Presentation] Construction of a reliable reduced CH4/O2 chemical reaction model under high pressure states2010

    • Author(s)
      Youhi Morii, Nobuyuki Tsuboi, Mitsuo Koshi, Hiroyuki Ogawa, A.Koichi Hayashi, Taro Shimizu
    • Organizer
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2010
    • Place of Presentation
      Miyazaki, Japan
    • Year and Date
      20100304-20100306
  • [Presentation] Numerical Simulation on Unsteady Compressible Low-Speed Flow Using Precond itioning Method : Comparison between AUSMDV and AUSM+-up2010

    • Author(s)
      Nobuyuki Tsuboi, Katsuyoshi Fukiba, Torn Shimada
    • Organizer
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2010
    • Place of Presentation
      Miyazaki, Japan
    • Year and Date
      20100304-20100306
  • [Presentation] Estimation of thermodynamic properties of hydrogen oxygen mixtures based on intra-molecular interactions for rocket engine combustion flow analysis2010

    • Author(s)
      Mitsuo Koshi, Kazuya Shimizu, Shinichi Tsuda
    • Organizer
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2010
    • Place of Presentation
      Miyazaki, Japan
    • Year and Date
      20100304-20100306
  • [Presentation] Development of efficient and stable time integration method for detailed chemical kinetics by using Rate-Controlled Constrained Equilibrium(RCCE)concept2010

    • Author(s)
      Mitsuo Koshi, Kazuya Shimizu
    • Organizer
      Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2010
    • Place of Presentation
      Miyazaki, Japan
    • Year and Date
      20100304-20100306
  • [Presentation] Reliability of Classical Molecular Dynamics Method to Thermodynamic Properties of Hydrogen2010

    • Author(s)
      H.Nagashima, T.Tokumasu, S.Tsuda, N.Tsuboi, A.K.Hayashi
    • Organizer
      48th AIAA Aerospace Sciences Meeting
    • Place of Presentation
      Orlando, Florida
    • Year and Date
      20100104-20100108
  • [Presentation] Numerical Simulation on Unsteady Compressible Low-Speed Flow Using Precond itioning Method : Re Effects on Drag for 2D Cylinder2009

    • Author(s)
      Nobuyuki Tsuboi, Tatsuyoshi Fukiba, Torn Shimada
    • Organizer
      Sixth International Conference on Flow Dynamics
    • Place of Presentation
      Sendai, Japan
    • Year and Date
      20091104-20091106
  • [Presentation] A Molecular Study on the Thermodynamic and Transport Properties of Liquid Hydrogen2009

    • Author(s)
      N.Nagashima, T.Tokumasu, S.Tsuda, N.Tsuboi, A.K.Hayashi
    • Organizer
      Proc.of the Ninth International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdiciplinary Fluid Integration
    • Place of Presentation
      Sendai, Japan
    • Year and Date
      20091104-20091105
  • [Presentation] 酸水素系の流体物性の非経験的計算2009

    • Author(s)
      津田伸一, 越光男, 坪井伸幸, 山西伸宏
    • Organizer
      日本機械学会2009年度年次大会
    • Place of Presentation
      岩手
    • Year and Date
      20090913-20090916
  • [Presentation] 低温水素の熱物性と分子間ポテンシャルの相関に関する研究2009

    • Author(s)
      永島浩樹, 徳増崇, 津田伸一, 坪井伸幸, 林光一
    • Organizer
      日本機械学会2009年度年次大会
    • Place of Presentation
      岩手
    • Year and Date
      20090913-20090916
  • [Presentation] 前処理法による非定常圧縮性低速流れの数値解析 : 2次元円柱の抵抗に関するRe数の影響2009

    • Author(s)
      坪井伸幸, 吹場活佳, 嶋田徹
    • Organizer
      第53回宇宙科学技術連合講演会
    • Place of Presentation
      京都
    • Year and Date
      20090909-20090911
  • [Presentation] Reduced Chemical Reaction Modelof Methane/Oxygen Mixture2009

    • Author(s)
      Youhi Morii, Nobuyuki Tsuboi, Mitsuo Koshi, Hiroyuki Ogawa, A.Koichi Hayashi, Taro Shimizu
    • Organizer
      22nd International Colloquium on the Dynamics of Explosions and Reactive Systems
    • Place of Presentation
      Minsk, Beralus
    • Year and Date
      20090727-20090731

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Published: 2011-06-16   Modified: 2016-04-21  

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