2020 Fiscal Year Annual Research Report

Investigation of Mixing, Diffusion, and Combustion Mechanism on Multi-species Fluid under Cryogenic High-Pressure Conditions

Research Project

Project/Area Number	19H02349
Research Institution	Kyushu Institute of Technology
Principal Investigator	坪井伸幸九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (40342620)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	寺本進東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30300700)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2022-03-31
Keywords	ロケット / 航空宇宙 / 流体工学 / 熱工学 / 水素
Outline of Annual Research Achievements	本年度の研究成果は以下の通りである． (1)多成分流体解析：超臨界圧下における高密度比接触面の１次元移流問題についてEnergy-based（完全保存形）およびPressure-based（圧力発展方程式を用いた準保存形）の支配方程式を用いて実施した．計算条件は移流速度が200 m/s，圧力が10 MPa, 酸素温度が100 K, 水素温度が150 Kの極低温条件であり，接触面の安定性および混合温度分布の評価を行った．状態方程式は2成分流体対応のSRK状態方程式を考慮したものである．高次精度化に関して，内挿変数の依存性について評価を行い，内挿変数に(h, u, p, Yi)を用いることで数値的な圧力振動およびエネルギーの保存誤差が軽減されることがわかった．さらに，混合層の温度分布が理論解析と比較しても適切に計算可能となることが示された．そして，Energy-basedとPressure-basedの支配方程式をハイブリッド化した計算手法を考案し，試計算を実施した．Energy-basedの支配方程式では数値的な圧力振動が強く，解析不能となるような状況でも本ハイブリッド手法により抑制し，かつエネルギーの保存誤差の増加を抑えることが示された．また，混合層内の温度分布はisochoric mixingの理論解析の特徴を示すことがわかった． (2)実験解析：超臨界同軸噴流の密度分布定量計測に向けて，極低温窒素単孔噴流，極低温窒素-高温窒素同軸噴流，極低温窒素-高温ヘリウム同軸噴流を対象にBackground Oriented Schlieren (BOS)法の適用を試み，パラメータ（背景ドットパターン，光源，レンズ配置，シャッタースピード，絞り）の影響検討および最適化を行った．密度勾配の大きい中央ダークコア部は可視化できないものの，混合層部分では密度勾配に対応する変位ベクトルを取得できることを確認した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 最も難しい異化学種の接触面の数値的な安定性および精度向上の改良に時間を要した．
Strategy for Future Research Activity	対面でのミーティングが困難になっているため，ZOOMなどを利用したインターネットによるミーティングを半年に1度程度行い，研究方法や研究結果の議論を行うことで研究を加速する．また，積極的に研究成果を学術雑誌に発表することで，研究成果に対する議論や助言を受ける．