2023 Fiscal Year Annual Research 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 / 数値シミュレーション / 気液二相流 |
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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，ならびに実験的手法による流量計測を目的として研究を実施した．
2021年度においては，高性能ワークステーションの導入により数値計算環境を向上させ，数値計算手法の検証や改良をすることができた．数値計算プログラムとしてはオープンソースであるOpenFOAMを使用し，亜酸化窒素の気液二相流を再現した．計算結果からインジェクター部における流量係数を計算し実験結果と比較した結果，数値解析により得られた結果と実験結果は一致した．亜酸化窒素の押し圧が流量係数に与える影響を調べた結果，単相流では流れが閉塞しないような条件でも流れが閉塞することがわかった．2022年度では燃焼室内部の高圧を模して下流側圧力を上昇させた結果，流量が減少しキャビテーション発生が抑えられることがわかった．2023年度はインジェクター部の形状を変化させて流れ場の解析を行った．
実験としては，2021年度と2022年度は配管内や燃焼室における亜酸化窒素の流れの圧力や温度の計測を実施した．さらに，亜酸化窒素流れの流量を定量的に計測する装置を導入し，亜酸化窒素押し圧の影響を調査した．また，実際にハイブリットロケットエンジン燃焼室を装着した状態で燃焼試験を実施し，燃焼状態における圧力や温度の特性を明らかにすることができた．2023年度は多様なインジェクターを用いたN2O流し試験および燃焼試験により，その縮流係数を明らかにした．また燃焼室圧力に応じて亜酸化窒素流量を制御するシステムの構築について検討を行った．亜酸化窒素気泡流に関する可視化実験も実施し，気泡流のクオリティと圧力損失の関係がDuklerの式で15％程度の誤差で予測できることを明らかにした．
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