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ロケットノズル内の衝撃波・熱乱流境界層干渉の物理モデル構築とノズル振動現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 22KJ0235
補助金の研究課題番号 22J11022 (2022)
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分基金 (2023)
補助金 (2022)
応募区分国内
審査区分 小区分24010:航空宇宙工学関連
研究機関東北大学

研究代表者

平井 遼  東北大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)

研究期間 (年度) 2023-03-08 – 2024-03-31
研究課題ステータス 完了 (2023年度)
配分額 *注記
1,700千円 (直接経費: 1,700千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード数値流体計算 / 衝撃波 / 壁面熱流束 / 非定常物理 / ロケットエンジン / 航空宇宙工学 / 流体数値計算 / 圧縮性流体
研究開始時の研究の概要

本研究ではロケットエンジンノズル内部で生じる衝撃波振動現象の物理解明とその制御手法の提案を目的としている.ノズル内部で生じる衝撃波の振動はノズル内壁を流れる乱流境界層を剥離させノズル内流れ場の非対称性をもたらすことで,ノズルに加わる圧力の不均衡を生じさせる.その結果ノズルを横方向に振動させる過大な応力が加わり,ノズルの構造破壊へと至る恐れがある.そのような危険な事態を軽減もしくは事前予測するために,本研究では数値計算を用いてノズル内の衝撃波振動現象を再現し,その発生メカニズムを解明する.さらに,壁面を冷却することによる衝撃波振動抑制効果を検証し,効果的な振動制御手法の提案を目指す.

研究実績の概要

本研究課題は、ロケットエンジンノズルを振動させ構造的な破壊を招く恐れのあるノズル内衝撃波自励振動現象について、壁面の冷却や衝撃波による乱流境界層への干渉効果を正しく再現することのできる数値計算モデルを活用することで、衝撃波振動を数値計算で忠実に再現し、かつその物理メカニズムを解き明かすことを目的として行われた。初年度は衝撃波によって生じる境界層剥離などの複雑流体物理現象に対する数値計算モデルの妥当性検証が行われ、境界層剥離サイズや壁面圧力振動スペクトルなどを忠実に再現できることが確認された。さらにオリジナルのモデルから一部パラメータを修正することにより壁面の加熱及び冷却の影響についても適切に再現可能となることが明らかとなり、ロケットエンジンノズル内の流れ場を計算するにあたり非常に有効な数値計算手法を確立することができた。この成果を受けて最終年度においては、簡素化したロケットエンジンノズルの数値計算を過膨張条件下で実施し、衝撃波の自励振動現象を再現することに成功した。この数値計算は実験と同程度のレイノルズ数で実施され、計算で得られた衝撃波振動周波数のピークは実験で観測されたものと一致している。さらに、これまで詳細に知られていなかった壁面冷却による効果も本研究課題で明らかにされ、壁面冷却により乱流境界層の剥離が縮小した結果、衝撃波振動が抑制されるという知見が得られた。壁面温度を変えたこれらの数値計算結果は境界層剥離と衝撃波振動の密接な関係性を示しており、衝撃波振動の物理メカニズムについて、境界層剥離が発達してノズルの有効出口面積が変化することでノズル内の圧力バランスが変わり、衝撃波が駆動されているという示唆が得られた。

報告書

(2件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2023 2022 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 2件)

  • [国際共同研究] Delft University of Technology(オランダ)

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [雑誌論文] Wall pressure fluctuations in wall heated and cooled shock wave and turbulent boundary layer interactions2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Hirai and Soshi Kawai
    • 雑誌名

      International Journal of Heat and Fluid Flow

      巻: 103 ページ: 109205-109205

    • DOI

      10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109205

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Wall-modeled LES of shock oscillations in adiabatic and wall-cooled over-expanded nozzles2023

    • 著者名/発表者名
      Ryo Hirai and Soshi Kawai
    • 学会等名
      The 14th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modeling and Measurements (ETMM14)
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 衝撃波/乱流境界層干渉現象の壁面圧力振動における壁面熱流束の影響2022

    • 著者名/発表者名
      平井遼,河合宗司
    • 学会等名
      第54回流体力学講演会/第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Wall-heated/cooled effects on low-frequency pressure fluctuations in shock-wave and turbulent boundary layer interactions2022

    • 著者名/発表者名
      Ryo Hirai and Soshi Kawai
    • 学会等名
      12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 壁面モデルLESによる衝撃波/乱流境界層干渉の低周波壁面圧力振動予測2022

    • 著者名/発表者名
      平井遼,河合宗司
    • 学会等名
      第36回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書

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公開日: 2022-04-28   更新日: 2024-12-25  

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