2012 Fiscal Year Annual Research Report
極低温推進系の多用途化に関わる気液相変化と熱流動現象の解明および予測技術の確立
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24686095
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Grant-in-Aid for Young Scientists (A)
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
姫野 武洋 東京大学, 大学院・工学系研究科, 准教授 (60376506)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 宇宙輸送 / 自由表面流 / 相変化 / 極低温流体 / 数値流体力学 / 表面張力 / 微小重力 / 液体ロケット |
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| Research Abstract |
スロッシング実験では、鉛直方向加振を印加できる小型電動アクチュエータを構成要素とする加振装置を導入し、加振に伴って円筒容器内に誘起される液面挙動の観察と気液界面を通じた熱伝達促進効果の計測実験を実施した。期待と異なる温度の不揮発性液体(シリコンオイル)を用いることで、スロッシングと温度場が連成する流れ場を創出し、液面挙動の高速度撮影と温度・圧力の同時計測を行った。ベッセル関数で記述される液面の固有振動モードを再現性良く実現できるとともに、容器内圧力が、気体領域の内部エネルギー総和にほぼ比例する値を呈する原理に基づき、計測された圧力変動の時系列データから、気体側への入熱量を定量的に取得できた。
一方、宇宙航空研究開発機構の協力を得て、液体窒素を用いた極低温スロッシング実験を実施した。高荷重電動アクチュエータと密閉容器を格納した真空断熱槽を供し、密閉容器内の気液間に比較的大きな温度差を課した条件で実験を行った。加振波形や加圧ガスを様々に変えたスロッシングに伴う界面熱伝達と相変化の促進効果を定量的に把握するとともに、数値解析の検証用にも適した、再現性のある実験データを取得できた。
数値解析については、報告者らが開発している自由表面流解法(CIP-Lsmに対し、気液界面での蒸発・凝縮を考慮できる相変化モデルを考案のうえ実装した。伝熱に伴う単一気泡の成長と浮力による離脱を実験的に観察した既往研究に対応した数値的模擬を試み、新たに構築された数値解法が沸騰を伴う自由表面流れに適用できる見通しを得た。
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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
実験では、常温ならびに極低温流体を用いたスロッシング実験により、線型応答範囲および強非線形性を呈する両方の場合について、液面変形と界面熱伝達・相変化が連成する現象を再現性良く実現できる見通しを得た。また、数値解析でも、数値流体解析を安定に行える相変化モデルを考案できた。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初研究計画の通り極低温スロッシング実験を着実に進める。併せて、落下塔を用いた微小重力環境での沸騰現象観察実験の準備を行うとともに、他の研究者と連携した微小重力実験への協力を模索する。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
当初研究計画のうち、数値解析手法の開発に有用な高速行列解法について、より詳細な比較検討が必要と判断された。次年度は、適切な汎用ライブラリを導入して数値解法の高速化を進める予定である。
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