宇宙機の長秒時航行へ向けた極低温推進薬の熱流動挙動解明とその数値予測技術の構築

• 研究課題/領域番号: 21686080
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 姫野 武洋 東京大学, 大学院・工学系研究科, 准教授 (60376506)
• 研究期間 (年度): 2009 – 2011
• 研究課題ステータス: 完了 (2011年度)
• 配分額: 27,170千円 (直接経費: 20,900千円、間接経費: 6,270千円); 2011年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2010年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円); 2009年度: 19,370千円 (直接経費: 14,900千円、間接経費: 4,470千円)
• キーワード: 推進 / エンジン / 液体ロケット / 極低温 / 相変化 / 計算力学 / 自由表面流 / 気液二相流 / 濡れ性 / 伝熱 / CFD / ロケット / スロッシング

研究概要

本研究では、宇宙輸送システムにおける極低温流体管理技術の確立へ向けて、宇宙機の推進薬タンク内部の自由表面流を対象とし、様々な加速度条件下における熱流動特性を、加振器を用いた地上実験と先進的な解法に基づく数値解析の両面から詳しく調べた。実験では、動的加速度環境ならびに低重力環境の実現方法と熱流動特性の計測手法を確立し、常温液体だけでなく、液体窒素と液体水素を用いた極低温スロッシング試験を実施した。その結果、大きな気液温度比が課される極低温条件に特徴的な凝縮・沸騰現象を確認した他、可視化観察を通じて液面挙動と気液熱交換の相関を整理した。一方、液体ロケットの推進機関を設計するために不可欠な基盤技術として、相変化と実在流体効果を適切に考慮した独自の自由表面流数値解析手法を更に発展させて提案した。

研究成果

• [雑誌論文] Study on Free-surface Flows in Aerospace Propulsion Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, C. Inoue and T. Watanabe
  • 雑誌名: Interdisciplinary Information Sciences 巻: Vol.17, No.1 ページ: 15-17
  • NAID: 130000653071
• [雑誌論文] 加熱面上における気泡成長・離脱過程の数値解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 梅村悠, 姫野武洋, 渡辺紀徳
  • 雑誌名: 日本マイクログラビティ応用学会誌 巻: Vol.29, No.1
  • NAID: 10031143452
• [雑誌論文] 濡れ性に駆動される自由表面流と接触線挙動 (2011)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 梅村悠, 梅村悠, 鵜沢聖治, 渡辺紀徳
  • 雑誌名: 日本マイクログラビティ応用学会誌 巻: Vol.29, No.1
  • NAID: 10031143453
• [雑誌論文] Study on Free-surface Flows in Aerospace Propulsion Systems (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno, C.Inoue, T.Watanabe
  • 雑誌名: Interdisciplinary Information Sciences 巻: 1 ページ: 15-17
  • NAID: 130000653071
  • 査読あり
• [雑誌論文] 噴射器内部流れが自由液膜挙動と微粒化特性に与える影響とその機構 (2010)
  • 著者名/発表者名: 井上智博, 渡辺紀徳, 姫野武洋, 鵜沢聖治
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 76-765 ページ: 755-762
• [雑誌論文] 様々な加速度環境における自由表面流の数値解析(CIP法、MARS法、Level Set法を協調した解法の改良) (2010)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 根岸秀世, 野中聡, 井上智博, 渡辺紀徳, 鵜沢聖治
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 76-765 ページ: 778-788
• [雑誌論文] 様々な加速度環境における自由表面流の数値解析(CIP法、MARS法、Level Set法を協調した解法の改良) (2010)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 根岸秀世, 野中聡, 井上智博, 渡辺紀徳, 鵜沢聖治
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 76巻 ページ: 778-788
  • 査読あり
• [雑誌論文] 噴射器内部流れが自由液膜挙動と微粒化特性に与える影響とその機構 (2010)
  • 著者名/発表者名: 井上智博, 渡辺紀徳, 姫野武洋, 鵜沢聖治
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 巻: 76巻 ページ: 755-762
  • 査読あり
• [雑誌論文] 伝熱を伴うスロッシング現象の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 渡辺紀徳, 梅村悠, 鵜沢聖治, 野中聡
  • 雑誌名: 日本マイクログラビティ応用学会誌 巻: Vol.26, No.3
  • NAID: 10025111287
• [雑誌論文] Experimental Study on Capillary Flow in Intricate Vane-Wall Geometry under Micro-gravity Conditions (2009)
  • 著者名/発表者名: A.Nakano, T.Yamashita, C.Inoue, T.Himeno, T.Nishizu
  • 雑誌名: Journal of the Japan Society of Microgravity Application 巻: 26 ページ: 197-203
  • NAID: 10025111198
  • 査読あり
• [学会発表] Heat Exchange and Pressure Drop Enhanced by Sloshing (2011)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno
  • 学会等名: AIAA 2011-5682, The 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: 米国、サンディエゴ市
  • 年月日: 2011-08-01
• [学会発表] スロッシングに伴うタンク内熱伝達に関する実験及び数値解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 杉森大造, 姫野武洋, 渡辺紀徳, 鵜沢聖治, 井上智博
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第51回航空原動機・宇宙推進講演会
  • 発表場所: 広島YMCAホール
  • 年月日: 2011-03-03
• [学会発表] スロッシングに伴うタンク内熱伝達に関する実験及び数値解析 (2011)
  • 著者名/発表者名: 杉森大造,姫野武洋,渡辺紀徳,鵜沢聖治,井上智博
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第51回航空原動機・宇宙推進講演会
  • 発表場所: 広島
• [学会発表] 衝突型噴射器における微粒化と噴霧特性に関する研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 宮下陽輔,姫野武洋,井上智博,渡辺紀徳,鵜沢聖治
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第51回航空原動機・宇宙推進講演会
  • 発表場所: 広島
• [学会発表] Upper StagePropulsion System Development for H-IIAUpgrade (2011)
  • 著者名/発表者名: K. Kinefuchi, W. Sarae, K. Aoki, T. Himeno, S. Nonaka and K. Okita
  • 学会等名: 4th Europian Conference forAerospace Sciences(EUCASS) Saint Petersburg
  • 発表場所: Russia
• [学会発表] Heat Exchange and Pressure Drop Enhanced by Sloshing (2011)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, D. Sugimori, K. Ishikawa, Y. Umemura, S. Uzawa, C. Inoue, T. Watanabe, S. Nonaka, Y. Naruo, Y. Inatani, K. Kinefichi, R. Yamashiro, T. Morito and K. Okita
  • 学会等名: The 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: San Diego
• [学会発表] 基幹ロケット推進系開発計画 (2011)
  • 著者名/発表者名: 杵淵紀世志,東伸幸,更江渉,沖田耕一,谷直樹,小林弘明,八木下剛,北山治,姫野武洋
  • 学会等名: 1S13日本航空宇宙学会第55回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 松山
• [学会発表] 非等温スロッシングに伴う密閉容器内圧変化の数値解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 杉森大造, 石川勝利, 梅村悠, 井上智博, 他
  • 学会等名: 日本流体力学会第24回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 慶應義塾大学、日吉キャンパス
  • 年月日: 2010-12-17
• [学会発表] 沸騰の数値解析に向けた界面追跡法の改良 (2010)
  • 著者名/発表者名: 梅村悠, 姫野武洋, 渡辺紀徳
  • 学会等名: 日本流体力学会第24回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 慶應義塾大学、日吉キャンパス
  • 年月日: 2010-12-17
• [学会発表] Heat Exchange and Pressure Drop Enhanced by Violent Sloshing, AIAA 2010-6979 (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno, Y.Umemura, D.Sugimori, S.Uzawa, T.Watanabe, S.Nonaka
  • 学会等名: The 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: 米国、テネシー州、ナシュビル市
  • 年月日: 2010-07-26
• [学会発表] Numerical Analysis of Violent Free-surface Flows by CIP-LSM (2010)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno
  • 学会等名: Sixth Asia Workshop on Computational Fluid Dynamics (6AWCFD)
  • 発表場所: 千葉県・柏市
  • 年月日: 2010-03-17
• [学会発表] Numerical Analysis of Violent Free-surface Flows by CIP-LSM (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno
  • 学会等名: No.AW6-KN3, Sixth Asia Workshop onComputational Fluid Dynamics(6AWCFD)
  • 発表場所: Kashiwa
• [学会発表] Heat Exchange andPressure Drop Enhanced by ViolentSloshing (2010)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, Y. Umemura, Daizo Sugimori, Seiji Uzawa, Toshinori Watanabe andSatoshi Nonaka
  • 学会等名: AIAA 2010-6979, The 46th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Nashville
• [学会発表] 非等温スロッシングに伴う密閉容器内圧変化の数値解析 (2010)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋,杉森大造,石川勝利,梅村悠,井上智博,鵜沢聖治,渡辺紀徳
  • 学会等名: 第24回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] 沸騰の数値解析に向けた界面追跡法の改良 (2010)
  • 著者名/発表者名: 梅村悠,姫野武洋,渡辺紀徳
  • 学会等名: 第24回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 横浜
• [学会発表] スロッシングに促進される気液熱交換の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 杉森大造, 梅村悠, 井上智博, 鵜沢聖治, 渡辺紀徳, 他
  • 学会等名: 日本流体力学会第23回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 宮城県、仙台市
  • 年月日: 2009-12-17
• [学会発表] CIP-LSMによる複雑形状を有する容器内自由表面流の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 野中聡, 青木広太郎, 渡辺紀徳
  • 学会等名: 日本機械学会第22回計算力学講演会
  • 発表場所: 石川県、金沢市
  • 年月日: 2009-10-11
• [学会発表] 再使用ロケット実験機の推進薬スロッシング予測 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 野中聡, 成尾芳博, 徳留真一郎, 丸山辰也, 他
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第53回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 京都府、京都市
  • 年月日: 2009-09-11
• [学会発表] Investigation on Heat Exchange Enhanced by Sloshing (AIAA 2009-5397) (2009)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno, et al.
  • 学会等名: The 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: 米国、コロラド州、デンバー
  • 年月日: 2009-08-04
• [学会発表] Liquid Sheet Dynamics and Primary Breakup Characteristics at Impingement Type Injector (2009)
  • 著者名/発表者名: C. Inoue, T. Watanabe and T. Himeno
  • 学会等名: AIAA2009-5041, The 45thAIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Denver
• [学会発表] Investigation on Heat Exchange Enhanced by Sloshing (2009)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, Y. Umemura, Daizo Sugimori, Seiji Uzawa, Toshinori Watanabe and Satoshi Nonaka
  • 学会等名: AIAA2009-5397, The 45th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Denver
• [学会発表] 再使用ロケット実験機の推進薬スロッシング予測 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋,野中聡,成尾芳博,徳留真一郎,丸山辰也,青木広太郎,稲谷芳文,青木宏,渡辺紀徳
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第53回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 京都
• [学会発表] CIP-LSMによる複雑形状を有する容器内自由表面流の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋,野中聡,青木広太郎,渡辺紀徳
  • 学会等名: 日本機械学会第22回計算力学講演会
  • 発表場所: 金沢
• [学会発表] スロッシングに促進される気液熱交換の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋,杉森大造,梅村悠,井上智博,鵜沢聖治,渡辺紀徳,野中聡,成尾芳博,稲谷芳文
  • 学会等名: 第23回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 仙台
• [備考]
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/research/twophase/
• [備考]
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/themes/twophase/twophase.html