2017 Fiscal Year Annual Research Report
Numerical anaysis of auto-ignition and flame structures of hypergolic liquid propellants by applying detailed chemical reaction models
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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, 研究開発員 (80633784)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 自燃性推進剤 / 自着火 / 着火遅れ時間 / 大規模詳細反応機構 / 数値解析 / 混相流 / 化学推進 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の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を実験及び数値解析にて解明することである。該当年度においては、実験で観察したモノメチルヒドラジン-四酸化ニ窒素の衝突微粒化噴流を数値解析で再現すべく、解適合格子を用いた二相流解析コードを構築した。界面追跡にはLevel-set法とPLIC-VOF法を連成させたCLSVOF法を採用し、表面張力評価に必要な曲率はHeight functionを用いることで高精度化を行った。これらをオープンソースコードであるBasilisk CFD platfoam上で構築することで、数百コアの並列計算を可能とした。その結果、実験の液膜長さを再現する解析を短期間に実現した。また、モノメチルヒドラジンの液面上火炎の観察試験を実施し、液面から生じる蒸気と酸化剤との２重火炎のデータを取得した。詳細化学反応機構を連成した数値解析コードで、２重火炎を解析を実施し、火炎構造内部にて支配的な化学反応を明らかにした。モノメチルヒドラジン液面付近には火炎から拡散する化学種が存在するため、それらの混合ガスとしての界面相平衡を数値計算で考慮することも必要である事がわかった。
研究期間全体を通じた成果としては、反応性液体の燃焼流に対して界面追跡法及び質点近似法を採用した数値解析コードと反応・相平衡モデルを構築したことが挙げられる。また、実験結果と合わせて考察することで、自燃性液体特に燃料は発熱自己分解によって火炎が気液界面に近接し、蒸発量や保炎安定性を大きく向上していることがわかった。一方で噴霧燃焼解析の一部では、自己分解反応速度とのバランスで火炎が不安定になることも示唆された。以上より、蒸発則・反応モデルの高精度化が燃焼器性能予測精度に直結する因子であると言える。
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