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2016 年度 実績報告書

極低温ロケット上段推進系における気液二相熱伝達特性と数値的予測手法の総合的研究

研究課題

研究課題/領域番号 15H04198
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(工学部), 准教授 (60376506)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード液体ロケット / 推進薬管理 / スロッシング / 極低温 / 表面張力 / 落下塔
研究実績の概要

極低温スロッシング実験では、実験手順を工夫することにより、液面付近に形成される液温成層(飽和温度に近い温度の境界層)の厚みを変化させることに成功した。これを利用し、加振開始時に液温成層厚を様々な変化させた実験を行った。その結果、スロッシングに伴うタンク圧降下の原因が、液温成層の破壊と、深層に存在していたサブクール液と気相の接触に伴う凝縮促進により説明できることの確証が得られた。また、一般にスロッシングの流動を減衰させる邪魔板から発生する乱れにより、液温成層の破壊が促進される結果、タンク圧降下がむしろ促進される場合があることが見出された。
落下塔を用いて獲得される低重力環境での液体挙動観察実験では、連携研究者の協力を得て、円筒容器の軸方向スライダを搭載した落下筐体を制作した。約2秒間の微小重力環境において、予め決められた通りに駆動されるスライダに円筒容器を搭載し、液体ロケットの段間分離時あるいは衛星分離時の加速度環境を相似に再現した。円筒容器の内部では、軸方向加振を受けて液柱が立ち上る様子が明瞭に捉えられた。
自由表面流の数値解析では、複雑形状流れ場を対象とするための改良を継続した。具体的には、多領域に対応した高速行列解法を導入した。これを用いて、非定常加速度を受ける直円管内プラグ流の数値的模擬を行い、加速度の変動により流動様式がプラグ流と層状流の間で遷移する場合、それに伴って管路の圧力損失も大きく変化することなどが再現された。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

極低温スロッシング実験において、実験手順の工夫により、再現性が向上したことに加え、液温成層を入力条件として制御できるようになり、流動と伝熱と相変化がタンク圧降下を引き起こしていることが明確になり、数値計算の検証に有用なデータの蓄積が進んだ。

今後の研究の推進方策

獲得された実験データを参照しながら、数値解析における相変化と界面熱伝達モデルを構築する。液体窒素だけでなく、液体水素についても、地上での貯蔵容器ならびに液体ロケットの実機タンク圧データを参照し、数値解析によるタンク内熱流動の定量的な予測手法確立を目指す。

  • 研究成果

    (10件)

すべて 2017 2016 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 学会発表 (9件) (うち国際学会 5件)

  • [国際共同研究] NASA Glenn Research Center(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      NASA Glenn Research Center
  • [学会発表] 非定常加速度環境における管内気液二相流挙動の数値解析2017

    • 著者名/発表者名
      岩永健太郎,姫野武洋,渡辺紀徳,井上智博,佐久間康典,立石敦,梅村悠
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会第53回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 発表場所
      沖縄県市町村自治会館, 沖縄県那覇市
    • 年月日
      2017-03-09 – 2017-03-10
  • [学会発表] 液温成層厚みが極低温流体のスロッシングと圧力変動に及ぼす影響2017

    • 著者名/発表者名
      古市侑太郎,大橋昭文,亀山頌互,幅大地,佐久間康典,鵜沢聖治,姫野武洋,渡辺紀徳
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会第53回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 発表場所
      沖縄県市町村自治会館, 沖縄県那覇市
    • 年月日
      2017-03-09 – 2017-03-10
  • [学会発表] 上段エンジン予冷予測に向けた冷却シミュレーション開発2017

    • 著者名/発表者名
      梅村悠,姫野武洋,大平勝秀,河南治,杵淵紀世志,小林弘明
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会第53回航空原動機・宇宙推進講演会
    • 発表場所
      沖縄県市町村自治会館, 沖縄県那覇市
    • 年月日
      2017-03-09 – 2017-03-10
  • [学会発表] バッフル板が極低温流体のスロッシングと圧力変動に及ぼす影響2016

    • 著者名/発表者名
      大橋昭文, 亀山頌互, 幅大地, 佐久間康典, 鵜沢聖治, 姫野武洋, 渡辺紀徳
    • 学会等名
      日本航空宇宙学会第60回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      函館アリーナ, 北海道函館市
    • 年月日
      2016-09-06 – 2016-09-09
  • [学会発表] Experimental Investigation on Liquid Acquisition Devices by Mesh-type Baffles2016

    • 著者名/発表者名
      S.Hamajima, T.Himeno, Y.Sakuma, T,Watanabe, Y.Umemura, H.Negishi, K.Ishikawa, S.Uzawa
    • 学会等名
      The 52nd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
    • 発表場所
      Salt Lake City, UT
    • 年月日
      2016-07-25 – 2016-07-27
    • 国際学会
  • [学会発表] Boiling Flow of Liquid Nitrogen in Complicated Channels under Low-gravity Condition2016

    • 著者名/発表者名
      T.Himeno, W.Sarae, K.Kinefuchi, Y. Umemura, H.Kobayashi, S.Nonaka
    • 学会等名
      Space Propulsion 2016
    • 発表場所
      Rome, Itary
    • 年月日
      2016-05-02 – 2016-05-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical Prediction of Liquid Nitrogen Line Chill-down Processes by Direct Interface Tracking Approach2016

    • 著者名/発表者名
      Y.Umemura, T.Himeno, O.Kawanami, K.Kinefuchi, H.Negishi
    • 学会等名
      Space Propulsion 2016
    • 発表場所
      Rome, Itary
    • 年月日
      2016-05-02 – 2016-05-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Study on Sloshing with Phase Change using Liquid Nitrogen2016

    • 著者名/発表者名
      D.Haba, T. Himeno, T.Watanabe,C. Inoue, S.Uzawa, S.Nonaka, Y. Umemura
    • 学会等名
      Space Propulsion 2016
    • 発表場所
      Rome, Itary
    • 年月日
      2016-05-02 – 2016-05-06
    • 国際学会
  • [学会発表] Flow Interaction by Multi Doublet Injectors2016

    • 著者名/発表者名
      C.Inoue, T. Himeno, T.Watanabe
    • 学会等名
      Space Propulsion 2016
    • 発表場所
      Rome, Itary
    • 年月日
      2016-05-02 – 2016-05-06
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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