2010 Fiscal Year Annual Research Report
宇宙機の長秒時航行へ向けた極低温推進薬の熱流動挙動解明とその数値予測技術の構築
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21686080
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
姫野 武洋 東京大学, 大学院・工学系研究科, 准教授 (60376506)
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| Keywords | 自由表面流 / 気液二相流 / 濡れ性 / 伝熱 / 相変化 / CFD / ロケット / スロッシング |
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| Research Abstract |
本研究では、宇宙輸送システムにおける極低温流体管理技術の確立へ向け、推進薬タンクを想定した密閉容器内部の自由表面流を対象とし、様々な加速度環境における熱流動特性を、地上実験と先進的な数値解析の両面から解明することを目的としている。同時に、宇宙輸送システムの推進機関を設計するための基盤技術として、相変化と実在流体効果を適切に考慮した独自の自由表面流数値解析手法を発展させることを目指す。
本年度は、昨年製作した電動加振器と耐圧断熱密閉容器に改良を加えた加振実験を継続した。また、供試液体として極低温流体である液体窒素を新たに用い、液体揺動と温度場が連成する流れ場を実験的に創出できた。その結果、液体窒素と気体窒素を共存させた密閉容器(クライオスタット)を激しく加振すると、液相に冷やされる気相側で凝縮が発生し、容器内部の圧力が急降下する現象が計測されるとともに、観察窓を通じた高速度カメラ撮影により、気相側の凝縮現象を観察することに成功した。今後、気相側の温度をパラメータとして、液体揺動の規模と圧力変動の相関を定量的に整理するとともに、液体揺動を減衰させる邪魔板を容器内に装備した場合や、界面熱伝達を強制遮断する浮体を導入した場合について試験を行い、各種デバイスがタンク内熱環境に与える影響に関する知見を獲得するという研究指針が得られた。一方、無重力環境で濡れ性に駆動される液体の挙動を詳細に観察するための落下塔試験の準備を進めた。
数値解析については、申請者らが開発している自由表面流解法(CIP-LSM)を用い、加振実験に対応する計算を行った。実験データとの比較室通じ、液面における適切な乱流熱伝達モデルの検討を行うとともに、相変化モデルを組み込んだ解析に着手した。また、小さな計算格子を用いた詳細計算により、固体壁面上の薄い液膜が、液体揺動と連成する熱伝達促進に大きく寄与していることが示唆された。
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