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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Investigation of mixing and diffusion mechanisms with phase-separation of multi-component fluid under cryogenic high-pressure conditions

Research Project

Project/Area Number 22H01686
Allocation TypeSingle-year Grants
Research InstitutionKyushu Institute of Technology

Principal Investigator

坪井 伸幸  九州工業大学, 大学院工学研究院, 教授 (40342620)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 寺本 進  東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30300700)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Keywordsロケット / 航空宇宙 / 流体工学 / 熱工学 / 水素
Outline of Annual Research Achievements

本年度の研究成果は以下の通りである.
(1)数値解析による遷臨界・超臨界流体の解析:遷臨界圧/超臨界圧の条件下における高密度比の接触面の1次元移流問題についてEnergy-based(EB:完全保存形)およびPressure-based(PB:圧力発展方程式を用いた準保存形)の支配方程式を用いるハイブリッド法の構築をおこなった.また,圧力発展方程式とは別に,同様の条件下でも解析可能なDouble-Flux法(DF)も構築を行い,EB法とのハイブリッド法についても新規に開発した.極低温窒素の1次元移流問題(5 MPa, 高温側は300 K, 低温側は100 K,移流速度は100 m/s)について解析を行い,上記の2種類のハイブリッド法は非物理的な振動を抑えて高密度比の接触面を安定に捉えることができた.また,極低温の水素/酸素の1次元移流問題(10 MPa, 水素側は150 K, 酸素側は100 K,移流速度は200 m/s)も行い,上記の2種類のハイブリッド法は接触面を安定に捉えることができた.また,接触面にはPBもしくはDFが使用されており,それ以外の領域についてはEBが使用されていることも確認できた.
(2)実験解析:超臨界同軸噴流の混合機構を理解するために,極低温超臨界噴流における大規模擾乱の光学計測を行った.噴流を2方向から高速度カメラでバックライト撮影して,剪断層部分の輝度分布から,剪断層を直線(エッジ)ではなく,分布(斜面形状)として抽出した.分布(斜面形状)を時間的に追跡することで,超臨界の同軸噴流でも,気液二相流と同様に,液枝に相当する尾根状の分布が存在すること,大規模擾乱の成長とともに尾根が伸長し,最終的に分裂をすることで,同軸噴流が混合していく様子を明らかにした.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

最も難しい,異化学種の接触面を安定に解析できるハイブリッド解法の開発・改良に時間を要した.

Strategy for Future Research Activity

対面でのミーティングが可能でなってきたため,半年に一度対面でミーティングを行い,研究方法や研究結果の議論を行うことで研究を加速する.また,積極的に研究成果を学術雑誌に発表することで,研究成果に対する議論や助言を受ける.

  • Research Products

    (7 results)

All 2023 2022 Other

All Journal Article (3 results) (of which Peer Reviewed: 3 results,  Open Access: 1 results) Presentation (3 results) Remarks (1 results)

  • [Journal Article] The evaluation of density and diffusion properties in hydrogen/oxygen mixture modelled by Lennard-Jones fluid2023

    • Author(s)
      Ijichi Takumi, Tsuda Shin-ichi, Tokumasu Takashi, Nagashima Hiroki
    • Journal Title

      Molecular Physics

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1080/00268976.2023.2192836

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Validation of Soave-Redlich-Kwong equation of state coupled with a classical mixing rule for sound speed of non-ideal gas mixture of oxygen-hydrogen as liquid rocket propellants2023

    • Author(s)
      TAKAHASHI Ryuji, TSUBOI Nobuyuki, TOKUMASU Takashi, TSUDA Shin-ichi
    • Journal Title

      Journal of Thermal Science and Technology

      Volume: 18 Pages: 22-00365

    • DOI

      10.1299/jtst.22-00365

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Numerical Study of Cryogenic Hydrogen Jet in Crossflow under Supercritical Pressure: Comparison of Tandem and Twin Jets2023

    • Author(s)
      NAKATSUKASA Tomohito, AMANO Taishi, ARAKI Takahide, TERASHIMA Hiroshi, TSUBOI Nobuyuki, OZAWA Kohei
    • Journal Title

      Journal of Evolving Space Activities

      Volume: 1 Pages: -

    • DOI

      10.57350/jesa.29

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] 圧力平衡を維持する極低温遷臨界・超臨界多成分流体の解析について2023

    • Author(s)
      坪井伸幸,荒木天秀,寺島洋史
    • Organizer
      令和4年度 航空宇宙空力シンポジウム
  • [Presentation] 超臨界圧極低温流れにおける数値解析:接触面 の安定性および温度分布の評価について2022

    • Author(s)
      坪井伸幸,荒木天秀,寺島洋史
    • Organizer
      第36回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 超臨界圧直交極低温水素噴流の軌跡スケーリングについて2022

    • Author(s)
      中司智仁,寺島洋史,坪井伸幸
    • Organizer
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
  • [Remarks] 九州工業大学大学院工学研究院機械知能工学研究系 反応流体力学研究室ホームページ

    • URL

      http://www.mech.kyutech.ac.jp/rfd/index.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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