2015 Fiscal Year Research-status Report
大規模詳細化学反応解析による自着火性液体推進薬の噴霧着火プロセスの解明
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26820379
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
谷 洋海 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究員 (80633784)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 自燃性推進剤 / 噴霧燃焼 / 自着火 / 大規模詳細反応機構 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目標は宇宙機化学スラスタ内部で生じる推進剤噴霧流の自着火現象の解明であり、対象とした燃料と酸化剤は国内の人工衛星で使用されるヒドラジン系燃料と四酸化二窒素である。本年度は質点近似を仮定した噴霧流燃焼計算コードを構築し、ヒドラジン噴霧燃焼流の着火および火炎構造の特徴を数値シミュレーションにより調査した。前年度のヒドラジン-四酸化二窒素の詳細化学反応モデルを考慮したガス燃焼解析コードに、質点近似した液滴をLagrangian計算する機能を追加した。自燃性推進剤の液滴蒸発モデルは未だに提案されていないため、炭化水素燃料の燃焼計算に使用される液滴蒸発モデルを導入した。このコードを用いて、ヒドラジン噴霧を四酸化二窒素雰囲気に噴射した燃焼流シミュレーションを実施した。
その結果、前年度のガスジェット計算と同様にヒドラジンの水素引き抜き反応による予熱反応が自着火を誘導することがわかったが、液滴の蒸発によって雰囲気や蒸気が低温化することで、着火遅れ時間が長くなることがわかった。また、蒸発速度を左右する液滴径が着火遅れに影響し、液滴径が小さいほど着火しにくい結果となった。
火炎構造については、ガスジェットと同様にヒドラジンの熱分解と酸化反応による２重火炎構造を有することがわかった。ガスジェットには見られなかった特徴として、特定の液滴径の場合に、ヒドラジン蒸発、熱分解の時定数が噴霧流の流体不安定の時定数と同程度になることで、噴霧流が蛇行する挙動を示すことがわかった。このとき、燃料の消費量がもっとも早くなったことから、ヒドラジン噴霧の場合は燃焼が最も促進するのは液滴径が小さい条件ではなく、流体不安定を助長するような液滴径であることが示唆された。
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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
当初の計画通り、大規模詳細反応機構を用いた噴霧燃焼計算コードを構築し、ヒドラジン噴霧の着火、火炎構造の特徴に関する有用な知見を得ることができた。また、噴霧燃焼解析の高精度化のための単一液滴の着火、燃焼解析の準備も順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の計画通り、Lagrangian追跡法を用いた噴霧燃焼解析を高精度化するため、蒸発モデルの妥当性を検証する。具体的には、MARS法とLevel-set法を協調した界面捕獲法を導入した２相反応流計算コードを構築し、単一液滴の蒸発、着火、燃焼の一連の高精度解析を実施する。その結果を基に、蒸発モデルを改良する。また、初年度に実施した実験と同様の条件で燃焼解析を実施し、その結果の妥当性を検証する。
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| Causes of Carryover |
国際雑誌へ投稿中の査読論文が年度内に完了しなかっため。また、国際情勢の悪化により国際学会をキャンセルしたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
査読論文の掲載料と国際学会旅費として使用予定。
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