2023 Fiscal Year Annual Research Report

Investigation of unsteady dynamics and modeling of LCH4/LOx rocket engine combustion

Research Project

Project/Area Number	21H01528
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	The University of Tokyo
Principal Investigator	中谷辰爾東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	津江光洋東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2025-03-31
Keywords	液体ロケット / メタン / 超臨界 / 振動燃焼 / 化学発光 / 燃焼不安定性 / 数値流体解析 / 実在気体効果
Outline of Annual Research Achievements	液体メタン/液体酸素を推進剤とするロケットエンジン燃焼器内の燃焼現象の解明およびモデリングを目的とし，実験および数値解析を行った．高圧力環境下におけるロケットエンジン燃焼器内で観察される，350nmから500nmに向けて観察されるブロードバンドな化学発光の特性を把握するため，急速圧縮機を用いた高圧高温環境下における燃焼において高速分光を実施した．水素/酸素富化空気燃焼，メタン/酸素富化空気燃焼の双方の燃焼においてこれらの分光データを取得し，これらの発光がH2O，CO2等の三原子分子以上の分子に起因する可能性が示された． OHおよびCH化学発光メカニズムを組み込んだ数値計算モデルを構築し，高温高圧力環境下での点火挙動における数値解析を実施した．OHやCHの濃度履歴に関して，概ね文献値と比較して良い一致が見られた．CFDに適用可能なモデルを構築した．また，エネルギー分布にボルツマン分布を考慮したOH，CHの振動-回転スペクトルの理論計算を実施し，振動温度および回転温度を求めた．一次元平面火炎において，その推定温度に関して評価した．火炎帯に近いところでは，化学反応による励起が支配的となり，火炎温度に対して振動回転温度が高くなった．一方で，後流においては熱平衡的に概ね正確な温度が得られた．CH*の方が熱平衡からずれる領域が狭いが，信号強度が弱い． CFDモデルに関して，遷臨界を含む環境における熱物性モデルを組み込んだ数値計算を実施した．PR-RKの状態方程式モデルを組み込み，熱物性値の変化に対して，実在気体効果を組み込んだ．超臨界に至る一次元対向流火炎において検証を行い妥当性を確認した．ピントル型インジェクタを用いた燃焼器の数値計算コードに上記モデルを組み込みを計算を実施し，基礎的な結果を得た．
Research Progress Status	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和5年度が最終年度であるため、記入しない。