Study on three-dimensional film cooling flow heated by turbulent flow for spacecraft engine heat management
| Project/Area Number |
23K22676
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| Project/Area Number (Other) |
22H01405 (2022-2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2022-2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
大門 優 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (90415901)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
井上 智博 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
林 潤 京都大学, エネルギー科学研究科, 教授 (70550151)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥17,030,000 (Direct Cost: ¥13,100,000、Indirect Cost: ¥3,930,000)
Fiscal Year 2024: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2023: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2022: ¥10,660,000 (Direct Cost: ¥8,200,000、Indirect Cost: ¥2,460,000)
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| Keywords | フィルム冷却 / 乱流気流 / ロケットエンジン / 乱流熱伝達 / 蒸発 |
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| Outline of Research at the Start |
小型の液体ロケットエンジンでは液体状態のフィルム冷却が使用され，3000Kを超える燃焼ガスから壁面を守っている．フィルム冷却は壁面を守る一方，一部燃焼に寄与せず排出されるため推力性能を下げてしまう．そのため冷却性能と推力性能はトレードオフ関係となっている．これを燃焼試験で最適化することは膨大なコストがかかるため，理論や数値解析による冷却の最適化が求められている．
本研究では，フィルム冷却の重要現象として乱流熱伝達による蒸発の他，流体力学的不安定性に起因する3次元構造及びフィルム先端における沸騰に着目することで，ドライアウトする長さを決定する現象を理解し，フィルム長さを予測するモデル式を開発する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
あらゆる燃焼器開発において，燃焼ガスから壁面を守ることは重要課題の一つである．壁面に沿って冷たい燃料および酸化剤を噴射することで壁面を守る方式を液膜（フィルム）冷却と呼び，ガスタービンや液体ロケットエンジンなどに使用されている．液体のフィルム冷却の場合，燃焼ガスからの伝熱により液体が蒸発しその後主流と混合していくが，燃焼器出口まで十分に混合できず推力性能が下がる．すなわち，冷却性能と推力性能はトレードオフ関係にあり燃焼器開発においてそれらを最適化することが求められている．
本研究の目的は，宇宙機用液体ロケットエンジンとして採用されている二液式スラスタの推力性能と冷却性能の最適化を実現するために，液体フィルムの3次元性とフィルム先端の沸騰現象に着目することでフィルム長さを決定する物理現象を理解し，フィルム長さを予測するモデル式を開発することである．これにより，数値解析と理論を用いて二液式スラスタの開発プロセスの革新を実現する．本年度は主に以下の2点において大きな成果を得た．
【フィルム長さ予測の定式化】新たなフィルム長さ予測モデルを用いて，推力性能と冷却性能のトレードオフを示すことで，一般的な二液式スラスタの性能向上のための設計指針を提示することに成功した．
【模擬液試験】加熱平板を模擬液で冷却することでその特性を得る模擬液試験において平板の表面粗さを変化させることで，液膜の拡がりと壁面熱流束に表面粗さが与える影響を明らかにした．
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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
予定通りフィルム長さを予測する数理モデルの開発，実機でのフィルム長さの計測を実現したたため，おおむね順調に進呈しているとした，
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2022-2023にて改良されたフィルムモデルを数値解析に適用し，実機燃焼試験結果と比較する．要すればフィルムモデルの改良を行う．
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Report
(2 results)
Research Products
(13 results)
