2022 Fiscal Year Research-status Report
Numerical Simulation of Oxidizer Flow inside a Hybrid Rocket Engine and Prediction of Flow Rate
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21K04484
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| Research Institution | Tokyo City University |
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Principal Investigator |
渡邉 力夫 東京都市大学, 理工学部, 准教授 (20308026)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中田 大将 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90571969)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ハイブリッドロケット / 亜酸化窒素流れ / 流量係数 / インジェクタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，ハイブリットロケットエンジンの酸化剤として使用されている亜酸化窒素(N2O)の配管内流れの数値的な再現と，インジェクター部における流量特性の把握，並びに実験的手法による流量計測を目的としている．2022年度においては，2021年度に導入した高性能ワークステーションを活用し，引き続き亜酸化窒素流れの数値解析を実施した．2021年度において，インジェクター部における流量係数が，室蘭工業大学で実施した流量計測実験で得られた値と概ね一致し，数値計算の妥当性を確認することができたため，2022年度においては流量を最大にするようなインジェクター形状を模索する取組として，インジェクター部の長さ（L）とインジェクターの直径（D）の比率であるL/Dを変更した場合の亜酸化窒素流れの変化および流量係数に与える影響について調査した．その結果，L/Dを大きくした（インジェクター形状を細長くした）場合にインジェクター内部におけるキャビテーションの発生を抑制することができたが，流量係数としては減少することがわかった．これはインジェクター長さが長くなったことによる圧力損失によるものであると考えている．今後はL/Dだけでなく，インジェクター角部やインジェクター径が長さ方向に変化するインジェクターなどにおいて数値計算を試行し，流量が最大となるインジェクター形状を模索する．室蘭工業大学においては引き続き亜酸化窒素の配管内ならびに供給タンク内流動について流量計測や可視化実験が実施された．特に，供給タンクへ亜酸化窒素を導入する場合には，供給差圧を小さくして供給速度を下げないと大規模な減圧沸騰が発生し過度な気化が起こることがわかった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
数値シミュレーションによる亜酸化窒素流れを継続的に実施し，インジェクター長さとインジェクター直径の比を変化させた場合の亜酸化窒素流れに与える影響，特に流量係数に与える影響を明らかにすることができ，最適なインジェクター形状を考慮する参考にすることができた．実験についても室蘭工業大学において継続的に実施し，配管内流動に対する知見や，タンクへの亜酸化窒素供給に関する知見が得られるなど，亜酸化窒素流動に関する理解を深めることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
2022年度までは概ね順調に研究が進んでいるので，2023年度は研究成果の解析や公表に力を入れることとする．亜酸化窒素流れの数値シミュレーションについては，引き続きインジェクター形状が流量係数に与える影響を調べることに加え，気液二相流の臨界流れに関する理論的な解析にも着手する．実験についても引き続き継続的に実施し，流量特性や供給時の注意点などを明らかにするとともに，亜酸化窒素流量制御にも着手し，ハイブリッドロケットエンジン燃焼の制御性を確立する．
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| Causes of Carryover |
配管部品については一部納期が長期となり2022年度中の執行に間に合わなかった．2023年度は配管部品のほか，成果公表費（論文投稿費）に使用予定である．
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