Evaluation of heat transfer characteristics of liquid oxygen flow with phase change and phase distribution under high heat flux conditions in a thin tube

2019 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04852
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 北川 幸樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 助教 (10575476)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: ハイブリッドロケット / 液体酸素 / 再生冷却 / 熱伝達 / 二相流 / ノズル / 熱流束 / 気化

Outline of Annual Research Achievements

固体の燃料と液体の酸化剤を用いたハイブリッドロケットエンジンにおいて酸化剤である 液体酸素を気化した上で、旋回流として燃焼室に噴射することで、高効率な推進力が得られる。気化方法として、液体酸素気化再生冷却ノズルを提案しており、そのノズルの詳細設計および実用化のために必要な精度の高い液体酸素気化再生冷却ノズルの設計に使用できる実用的な熱伝達評価式を構築することが目的である。
2019年度は、酸素の熱伝達率を計測するための熱伝達特性計測実験システムを設計、製作した。計測部は内径2.175mm、厚さ0.5mm、長さ200mmのステンレス管を用いることとし、管入口、出口での流体の温度、圧力を計測し、管の外壁面の上下に5ヶ所ずつ熱電対を設置し、温度計測を行える形態とした。酸素流量は実験装置下流で、コリオリ流量計で計測する形態とした。直流電源により最大8kWまでの電圧を印加し、ジュール加熱によってステンレス管を昇温し、細管内を流れる液体酸素を加熱できるようにした。その機能確認試験として、装置単体加熱試験とコールドフロー試験を実施し、適切に加熱できること、計測が可能であることを確認し、実験装置の運用方法も構築した。また、計測部の細菅を重力に対して垂直な水平方向とした条件での熱伝達特性計測実験を実施し、熱伝達特性を分析するための有用なデータの取得に成功した。さらに、今回設計製作した実験装置の問題点として、条件によってはキャビテーションが発生し酸素流量が正確に計測できないことを明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り、熱伝達特性計測実験システムを設計、製作し、機能確認試験として、装置単体加熱試験とコールドフロー試験を実施した。印過電圧が熱電対の電圧に干渉が大きいという問題が明らかになったが、加熱試験の多数回実施することで、適切な温度計測ができるように補正することで解決できた。
また、熱伝達特性計測実験の第一段階としては、重力の影響で気相、液相の偏りが発生しないように細管は地面に対して垂直とし下から上へ流す加熱計測実験を実施する予定であったが、装置の取り扱いの簡便化のため、計測部の細菅を地面に対して水平方向とした条件での熱伝達特性計測実験を実施するよう変更し、必要なデータを取得することができた。細管を地面に対して垂直とし加熱計測実験は、次年度行うこととした。

Strategy for Future Research Activity

2020年の4月から研究拠点を変更するため、研究計画に見直しが必要である。まずは、実験の実施を新研究拠点で行うか、前研究拠点で行うかの検討、調整を実施し、実験体制を整える。
2019年度で明らかになった酸素流量の計測の課題に対しては、流量計の位置を変更する改修を行い対応する。
亜臨界圧力領域での相変化を伴う液相および気相分布に偏りのある液体酸素流の熱伝達特性データを取得することが目的である。2020年度は、改修した熱伝達特性計測実験システムを用いて、供給圧力、酸素流量、加熱量をパラメータとし、流体の流れは、地面に対して垂直方向の場合と４５°に傾けた場合に計測部を液体酸素が遡る場合および下る場合の4パターンの計測実験を実施する。2019年度に実施した地面に対して細管が水平の場合の結果と合わせて、熱伝達特性を評価する。
2021年度以降は、細管を様々な角度に傾けた場合の熱伝達特性計測実験を実施し、気相割合や二相流の流動様式を考慮し、各状態での適切な整理式の検討を行いハイブリッドロケットでの液体酸素気化再生冷却ノズルの設計に使用可能な精度の高い新たな熱伝達評価式を確立していく。

Causes of Carryover

本年度の実験実施に必要な物品は調達済みである一方、学会発表の旅費として確保していた分は、実験装置の検討、設計、製作に当初予定より時間が要したため、旅費としての使用額を削減し、それが残額となった。次年度の学会発表などの旅費に使用する予定である。