高速多重衝突噴流の圧縮燃焼原理に基づく多用途・高効率エンジンの原理研究
| Project/Area Number |
18J22401
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| Research Category |
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 国内 |
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| Research Field |
Thermal engineering
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| Research Institution | Waseda University |
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| Research Fellow |
小長谷 礼美 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
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| Keywords | 多重衝突噴流 / エンジン / 衝撃波 / 断熱 / 数値計算 / 高圧縮 / ロケットエンジン / 自己着火 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
今年度は，多重衝突パルス噴流圧縮原理の根幹である「非燃焼状態における中心点圧力の上昇度」について，実験と数値解析の両方について定量的に評価した．
実験では，衝撃波管内にエンジンを設置し，その噴流群衝突位置付近の圧力（中心点圧力）を測定した．エンジンへの流入全圧，および，衝撃波管高圧室初期圧力に対する中心圧力の上昇度を評価したところ，圧力がかなり上昇すること確認した．これは，本圧縮原理の有効性を裏付ける重要な証拠となる．
数値解析では，大阪大学のスーパーコンピュータを借用し，実験で用いた圧縮装置と同形状での噴流群の衝突圧力値を，三次元計算により求めた．
センサの測定特性などを考慮したうえで，上記2つの方法で求めた衝突点付近の圧力上昇度を比較したところ，ある程度の一致を確認した．更に，衝突する噴流の本数や直径を増やして得られる温度・圧力も数値計算によって求めた．これによって定量化した多重噴流の衝突点付近の圧力上昇度を，米国航空宇宙学会の会議で発表した．
さらに，ロケットエンジンへの適用を想定した燃焼実験も行った．安全装置を複数個所に追加したフェイルセーフな燃焼実験系において，始動時・短時間燃料噴射条件での推力を繰り返し測定できた．実測推力は，従来型の小型のロケットエンジンに比べるとかなり大きな値を示唆している．それを換算した比推力は従来の大型ロケットエンジンと同等レベルの可能性も見出した．また，燃焼室壁面での圧力が燃焼によって上がっている時間帯に壁面温度が上がっておらず，多重衝突パルス噴流による大幅な断熱効果も確認できた．
なお，数値解析方法の研究もおこなってきており，亜音速・超音速流の解析を高精度化する独自の方法論（密度に対する非線形な補正法）を確立し，世界的に著名な国際会議で発表した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，3つのカテゴリーの重要研究課題について，期待以上の研究成果を出し，大きな進展を得ることができた．
1つめは，多重衝突パルス噴流圧縮原理の根幹である「非燃焼状態における中心点圧力の上昇度」についての実験と数値解析の両者を行い，「超高圧縮，かつ，低騒音」が可能であるという直接的な証拠を得たことである．また，噴流群の衝突後のシュリーレン法での可視化も実験と計算で一致し，共著者として査読有学術論文1編をPublishした．
2つめは，始動時・短時間燃料噴射の燃焼実験を行い，「ほぼ完全な断熱，かつ，大きな推力値」を繰り返して得て，1つめの成果を更に後押しする結果だと判断できたことである．これらの成果には，今まで連携がなかった自動車やロケットに関係する複数の企業・組織が新たに関心を示し，共同研究開発段階に入ったところである．
3つめは，広範囲の条件において高精度な数値解析を可能にする理論・方法を研究代表者が独自に提案し，その有効性を丁寧に検証した点である．
2018年度には，以上の3つの課題に対して主著者として国際会議での発表を複数行った．また，共著者として査読有学術論文も複数Publishすることができた．理論，数値解析，実験の３軸から成果を出すことができた点も評価に値する．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，多重衝突パルス噴流圧縮燃焼原理による熱効率向上の肝となる，燃焼時の中央一点自己着火と気体断熱効果を，実験と数値解析の両方について定量的に評価する．
実験では，ガソリン燃料を用いたプロトタイプ機の燃焼実験において，燃焼室中央で衝突圧縮していることを確認する．また，燃焼室壁面での温度測定で熱流束を算出することで断熱効果の定量的評価を行い，排気温度，壁面圧力と推力の測定も実施する．さらに，推力実測値をもとに，他の小型ロケットエンジンとの比較を行い，大型ロケットエンジンと同条件において比推力の比較検討も行う．
数値解析では，大阪大学のスーパーコンピュータを借用し，高精度化した燃焼計算を含む解析モデルをプロトタイプ機形状で計算し，中央一点自己着火，燃焼後の高温ガスが壁面に届かない断熱効果，および推力・効率を確認する． C-CUP法ベースのLarge Eddy Simulationモデルを用いて，格子点数5000万点程度で行う．また，燃焼効率と比推力を高める燃料噴射方式も検討する．
また，今年度行った非燃焼状態での衝突点付近の圧力上昇度の定量化についても，これまで学内の実験設備では安全上の観点から3気圧程度にしか上げられなかった上流圧を，国立研究所で借用する実験設備において10気圧程度にすることで，より実用化に近い条件での圧力上昇度を測定する実施計画がほぼ完成し，そのための装置の制作段階に入った．
なお，燃焼実験についても，国立大学と共同で，より実用化に近い条件（上流圧および酸素濃度の上昇，水素酸素燃料系の使用）で行うことを検討しており，その準備も進める．
今年度行った非燃焼での研究と今後の燃焼研究結果を総合的に整理することで，物理的因子群のエンジン性能への影響を考察し，メカニズム全体の把握を試みる．
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Report
(1 results)
Research Products
(8 results)
