超臨界圧燃焼流れ場の高度デジタル予測に資する詳細反応機構-燃焼LES技術の開発
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21H01522
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
寺島 洋史 (石原洋史) 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (20415235)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河合 宗司 東北大学, 工学研究科, 教授 (40608816)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥16,770,000 (Direct Cost: ¥12,900,000、Indirect Cost: ¥3,870,000)
Fiscal Year 2023: ¥5,200,000 (Direct Cost: ¥4,000,000、Indirect Cost: ¥1,200,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000)
Fiscal Year 2021: ¥5,850,000 (Direct Cost: ¥4,500,000、Indirect Cost: ¥1,350,000)
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| Keywords | LES火炎モデル / 詳細反応 / 超臨界圧燃焼 / LES解析 / 詳細反応機構 / 火炎モデル / 非理想性 / 超臨界流体 / 燃焼 / 乱流燃焼モデル |
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| Outline of Research at the Start |
本研究は，航空宇宙推進器等で見られる超臨界圧環境下燃焼流れ場の高度予測を可能とする燃焼流体シミュレーション(燃焼CFD)技術の開発とその適用を目的とする．目指す開発技術の中心を，化学反応の理解に基づく燃焼制御及び予測技術と据え，それを可能とする詳細反応機構を適用した燃焼CFD技術を開発する．具体的には，本グループが持つ独自の視点に基づき，詳細反応機構を適用可能な化学反応項LESモデル及び燃焼LES壁モデルの開発に挑戦する．ロケット燃焼で課題として残される燃焼振動及び壁熱流束予測問題へ適用することで，開発した燃焼CFD技術の有効性を実証する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，燃焼速度における火炎伸張効果を粗い格子でも考慮可能な新たな火炎モデルの提案を行ってきた．今年度の研究によって火炎モデルの開発はほぼ完了し，査読論文の作成を通して成果発表を進めている所である．開発した火炎モデルは，火炎帯を人工的に厚くするモデル（thickened flame model: TFモデル）をベースとし，火炎帯を厚くすること（火炎帯拡大化）によって失われる火炎伸張効果をLESフィルター余剰項で補うものである．これまでに少ないながらも火炎伸張効果を考慮したTFモデルが提案されているが，ほぼ全てのモデルがルイス数の修正に基づいたものであった（火炎厚さとMarkstein長さの比をルイス数で表す理論式を出発点としたため）．一方，本研究では火炎帯拡大化によって失われた火炎伸張効果をLESフィルター余剰項によって補うという独自の考えに基づいてモデル開発を行ってきた．LESフィルター余剰項という観点でモデルを導出した結果，本モデルではルイス数を含め，プラントル数やシュミット数という燃焼流れ場で重要な無次元数が維持され，既存モデルに対して優位性を有すると考えられる．円筒伝播火炎問題において，火炎モデルの妥当性を検証し，直接数値解析（DNS）に対して約20倍粗い格子幅でも燃焼速度に対する火炎伸張効果を再現できることがわかった（3次元では1/8000の計算格子点数で解析できることを意味する）．さらに，火炎伝播が進行すると皺状火炎が発生するが，本モデルによって発生タイミングや発生後に加速される火炎伝播速度もDNSをよく再現できることがわかった．これは先に述べたルイス数を維持する特性が効いていると考えられ，本モデルの特長といえる．さらに乱流火炎現象への適用を踏まえた渦火炎干渉問題においても渦によって伸張され変形する火炎形状を粗い格子でよく再現できることを示した．
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(3 results)
Research Products
(32 results)
