極低温推進系の多用途化に関わる気液相変化と熱流動現象の解明および予測技術の確立

• 研究課題/領域番号: 24686095
• 研究種目: 若手研究(A)
• 配分区分: 一部基金
• 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, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (60376506)
• 研究期間 (年度): 2012-04-01 – 2015-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2014年度)
• 配分額: 27,040千円 (直接経費: 20,800千円、間接経費: 6,240千円); 2014年度: 3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円); 2013年度: 6,890千円 (直接経費: 5,300千円、間接経費: 1,590千円); 2012年度: 16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)
• キーワード: 推進 / エンジン / 液体ロケット / 極低温 / 相変化 / 自由表面流 / 表面張力 / CFD / 宇宙輸送 / 極低温流体 / 数値流体力学 / 微小重力

研究成果の概要

宇宙輸送システムの極低温流体管理技術の確立へ向け、宇宙機推進薬タンク内の自由表面流を対象とし、様々な加速度条件下の熱流動特性を、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、動的加速度環境を再現性良く実現し、圧力計測に基づく界面熱伝達の計測手法を確立した。常温液体に加え、液体窒素を用いたスロッシング試験を実施し、極低温条件に特徴的な凝縮・沸騰現象を確認した他、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] 減圧環境における上昇気泡の数値解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 姫野 武洋, 熊谷 剛彦
  • 雑誌名: 鉄と鋼 巻: 101 号: 2 ページ: 109-116
  • DOI: 10.2355/tetsutohagane.101.109
  • NAID: 130004747798
  • ISSN: 0021-1575, 1883-2954
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 減圧密閉容器内を上昇する気泡の観察 (2015)
  • 著者名/発表者名: 熊谷 剛彦, 岸本 康夫, 中村 修, 田川 俊夫, 姫野 武洋, 嶋崎 真一
  • 雑誌名: 鉄と鋼 巻: 101 号: 2 ページ: 93-100
  • DOI: 10.2355/tetsutohagane.101.93
  • NAID: 130004747801
  • ISSN: 0021-1575, 1883-2954
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Numerical Analysis on Unsteady Cavitation by Direct Interface Tracking Approach (2014)
  • 著者名/発表者名: Ishikawa, K., Umemura, Y., Himeno, T., Watanabe, T., Tani, N., Terashima, H. and Koshi, M
  • 雑誌名: Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan 巻: 57
  • NAID: 130004548647
  • 査読あり
• [雑誌論文] 微小重力下での液体推薬保持技術開発のための地上模擬実験 (2013)
  • 著者名/発表者名: 杵淵紀世志, 加納康仁, 齊藤靖博, 姫野武洋, 沖田耕一
  • 雑誌名: 日本航空宇宙学会航空宇宙技術 巻: 12 ページ: 73-77
  • NAID: 130003373684
  • 査読あり
• [学会発表] 観測ロケット実験による極低温沸騰二相流観察実験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 更江 渉, 杵淵 紀世志, 小林 弘明, 梅村 悠, 藤本 圭一郎, 薮崎 大輔, 杉森 大造, 姫野 武洋, 野中 聡, 藤田 猛, 佐藤 哲也
  • 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: 富山国際会議場、富山
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] 再使用観測ロケット開発に向けた推進系技術実証試験 (2015)
  • 著者名/発表者名: 堤 圭之介，石川 佳太郎，川戸 博史，野中 聡，姫野 武洋
  • 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: 富山国際会議場、富山
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] 気液界面の直接捕獲による極低温流体中の翼型に発生するキャビテーションの数値解析 (2015)
  • 著者名/発表者名: 武田 直哉，姫野 武洋，渡辺 紀徳，梅村 悠
  • 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: 富山国際会議場、富山
  • 年月日: 2015-03-09 – 2015-03-10
• [学会発表] Prediction of Liquid Motion and Heat Exchange in Space Propulsion Systems (2015)
  • 著者名/発表者名: Takehiro Himeno
  • 学会等名: International Workshop on Liquefied Hydrogen Technology
  • 発表場所: リーガロイヤルホテル京都、京都
  • 年月日: 2015-03-02
  • 招待講演
• [学会発表] 宇宙輸送系に関わる自由表面流の数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 梅村 悠，姫野 武洋，根岸 秀世，杵淵 紀世志，大平 勝秀，井上 智博，渡辺 紀徳
  • 学会等名: 日本流体力学会第28回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京
  • 年月日: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [学会発表] 衝突微粒化による噴霧特性のEulerian-Lagrangian解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 井上 智博，渡辺 紀徳，姫野 武洋
  • 学会等名: 日本流体力学会第28回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京
  • 年月日: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [学会発表] 流体構造連成解析を用いたイン ピーダンスポンプ内流れの研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 岡本 竜馬，渡辺 紀徳，姫野 武洋，井上 智博
  • 学会等名: 日本流体力学会第28回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: タワーホール船堀、東京
  • 年月日: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [学会発表] 気液界面の直接捕獲による熱力学的効果を考慮したキャビテーションの数値解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 武田 直哉，姫野 武洋，梅村 悠, 渡辺 紀徳
  • 学会等名: 日本学術会議 機械工学委員会第17回キャビテーションに関するシンポジウム
  • 発表場所: 東京大学駒場Ⅱキャンパス、東京
  • 年月日: 2014-11-20 – 2014-11-21
• [学会発表] 航空宇宙分野における自由表面流CFDの活用例 (2014)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 学会等名: 日本機械学会 産業界におけるCFD利用の高度化に関する研究分科会
  • 発表場所: 東京理科大学神楽坂校舎、東京
  • 年月日: 2014-09-26
  • 招待講演
• [学会発表] HTV Numerical Simulation Model of the Helium Solubility in the Propellant (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Kurishita, S. Noritake, K. Matsuyama, K. Masuda, M. Miyanaga,T. Himeno,S. Takata
  • 学会等名: The 50th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Cleveland, U.S.
  • 年月日: 2014-07-28 – 2014-07-30
• [学会発表] Heat Exchange and Pressure Drop Enhanced by Viorent Sloshing (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Himeno,D.Haba,S.Uzawa,T.Watanabe,S.Nonaka,D.Sugimori,Y.Umemura,K.Kinefuchi
  • 学会等名: Space Propulsion 2014
  • 発表場所: Cologne, Germany
  • 年月日: 2014-05-19 – 2014-05-22
• [学会発表] Numerical Simulation of Water-entry of Space Capsule and Evaluation of its Safety (2014)
  • 著者名/発表者名: T.Furumoto,T.Himeno,C.Inoue,S.Uzawa,T.Watanabe and K.Fujimoto
  • 学会等名: Asian Joint Conference on Propulsion and Power 2014
  • 発表場所: Jeju, Korea
• [学会発表] 再使用観測ロケットに関する極低温液体推進薬の熱流動現象 (2014)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 学会等名: JAXA宇宙科学研究所 ”飛翔体工学セミナー
  • 発表場所: 相模原
  • 招待講演
• [学会発表] Numerical Analysis on Unsteady Cavitation by Direct Interface Tracking Approach (2013)
  • 著者名/発表者名: K.Ishikawa, Y.Umemura, T. Himeno, T. Watanabe, N. Tani, H. Terashima and M. Koshi
  • 学会等名: 29th International Symposium on Space Technology and Science
  • 発表場所: Nagoya
• [学会発表] Development and Testing of Propulsion Systems for Reusable Sounding Rocket (2013)
  • 著者名/発表者名: G. Imai, K. Ishikawa, H. Kawato, S. Nonaka, T. Ito and T. Himeno
  • 学会等名: 29th International Symposium on Space Technology and Science
  • 発表場所: Nagoya
• [学会発表] Experimental Investigation on Heat Exchange and Pressure Drop Enhanced by Vertical Sloshing (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, D. Haba, K.Ishikawa, Y. Umemura, C. Inoue, S. Uzawa, T. Watanabe and S.Nonaka
  • 学会等名: The 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: San Jose, U.S.
• [学会発表] Impinging Atomization Enhanced by Microjet Injection - effect, mechanism and optimization (2013)
  • 著者名/発表者名: C. Inoue, T. Watanabe, T. Himeno and S, Uzawa
  • 学会等名: The 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: San Jose, U.S.
• [学会発表] Numerical Analysis on Boiling Flow in Surface Tension Dominant Environment (2013)
  • 著者名/発表者名: Y. Umemura, T. Himeno and T. Watanabe
  • 学会等名: The 49th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: San Jose, U.S.
• [学会発表] Numerical and Experimental Studies for the Prediction of Liquid Propellants (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno
  • 学会等名: Todai Forum 2013, Workshop on Thermofluids Engineering Research for Zero-emission Society
  • 発表場所: Sao Paulo, Brazil
  • 招待講演
• [学会発表] Prediction of Liquid Motion and Heat Exchange in Space Propulsion Systems (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno
  • 学会等名: The 1st ESA Workshop on the Physics of Microgravity Cryogenic Sloshing Motions
  • 発表場所: Noordwijk, The Netherlands
  • 招待講演
• [学会発表] ボクセル法によるスロッシング邪魔板効果の予測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 野中聡, 石川佳太郎, 川戸博史
  • 学会等名: 日本計算工学会第18回計算工学講演会
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 液体ロケット推進系に関連した自由表面流の研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 梅村悠, 谷直樹, 野中聡, 杵淵紀世志, 井上智博
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2013
  • 発表場所: 東京
• [学会発表] 基幹ロケット上段推進系䛾発展と国際有人探査への貢献(極低温軌道間輸送機の研究開発) (2013)
  • 著者名/発表者名: 杵淵紀世志, 齊藤靖博, 西平慎太郎, 沖田耕一, 更江渉, 杉森大造, 谷直樹, 梅村悠, 小林弘明, 姫野武洋, 石川佳太郎, 青山太一
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第57回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 米子
• [学会発表] 再使用観測ロケット開発に向けた推進系システム技術実証試験 (2013)
  • 著者名/発表者名: 増田紀昭, 石川佳太郎, 川戸博史, 野中聡, 姫野武洋
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第57回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 米子
• [学会発表] 様々な加速度環境における自由表面流 (2013)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 学会等名: 日本学術会議, 第3回計算力学シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 招待講演
• [学会発表] Heat Exchange and Pressure Drop in a sloshed Tank (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, Y. Umemura, T. ffatanabe, S. Nonaka, D. Sugimori, K. Kinef ichi, 他
  • 学会等名: Space Propulsion 2012
  • 発表場所: Bordeaux, French
• [学会発表] Investigation on Pressure Change Induced by Cryogenic Sloshing (2012)
  • 著者名/発表者名: T. Hineno.TCTshncawa, Y. Unenura, C. I noue. T. Vatanabe, 他
  • 学会等名: The 48th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference
  • 発表場所: Atlanta, U.S.
• [学会発表] 推進薬管理技術の高度化へ向けた数値流体解析手法の研究 (2012)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 杵淵紀世志, 沖田耕一, 谷直樹, 野中聡
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第56回宇宙科学技術連合講演会
  • 発表場所: 大分県別府市
• [備考] 東京大学航空宇宙工学専攻ジェット推進研究室ホームページ
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/themes/twophase.html
• [備考] 日本機械学会流体工学部門ホームページ『今この論文／技術／研究開発が熱い！』
  • URL: http://www.jsme-fed.org/papertech/2013_11/001.html
• [備考] 日本機械学会流体工学部門ページ 『今この論文/技術/研究開発が熱い! (2013年11月号)』
  • URL: http://www.jsme-fed.org/papertech/2013_11/001.html