2023 Fiscal Year Annual Research Report
Study on three-dimensional film cooling flow heated by turbulent flow for spacecraft engine heat management
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22H01405
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
大門 優 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (90415901)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 智博 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
林 潤 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (70550151)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | フィルム冷却 / 乱流気流 / ロケットエンジン / 乱流熱伝達 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
あらゆる燃焼器開発において，燃焼ガスから壁面を守ることは重要課題の一つである．壁面に沿って冷たい燃料および酸化剤を噴射することで壁面を守る方式を液膜（フィルム）冷却と呼び，ガスタービンや液体ロケットエンジンなどに使用されている．液体のフィルム冷却の場合，燃焼ガスからの伝熱により液体が蒸発しその後主流と混合していくが，燃焼器出口まで十分に混合できず推力性能が下がる．すなわち，冷却性能と推力性能はトレードオフ関係にあり燃焼器開発においてそれらを最適化することが求められている．
本研究の目的は，宇宙機用液体ロケットエンジンとして採用されている二液式スラスタの推力性能と冷却性能の最適化を実現するために，液体フィルムの3次元性とフィルム先端の沸騰現象に着目することでフィルム長さを決定する物理現象を理解し，フィルム長さを予測するモデル式を開発することである．これにより，数値解析と理論を用いて二液式スラスタの開発プロセスの革新を実現する．本年度は主に以下の2点において大きな成果を得た．
【フィルム長さ予測の定式化】新たなフィルム長さ予測モデルを用いて，推力性能と冷却性能のトレードオフを示すことで，一般的な二液式スラスタの性能向上のための設計指針を提示することに成功した．
【模擬液試験】加熱平板を模擬液で冷却することでその特性を得る模擬液試験において平板の表面粗さを変化させることで，液膜の拡がりと壁面熱流束に表面粗さが与える影響を明らかにした．
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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
予定通りフィルム長さを予測する数理モデルの開発，実機でのフィルム長さの計測を実現したたため，おおむね順調に進呈しているとした，
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2022-2023にて改良されたフィルムモデルを数値解析に適用し，実機燃焼試験結果と比較する．要すればフィルムモデルの改良を行う．
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