| 研究概要 |
液体ロケットエンジンの高性能化・高信頼性化を図るためには燃焼に関する知見を深めることが必要不可欠である。そのためには,数値解析により燃焼流れを再現することが期待されるが,そのとき水素・酸素の混合過程から燃焼に至るまでを統一的に解析することが望ましい。特に酸素の臨界圧力以下の燃焼室圧力条件では,液体酸素の微粒化・混合が燃焼状態に直接影響すると言われており,長年の課題である燃焼振動などを解明するためには必須となる。本研究課題「液体ロケットエンジン内超臨界水素・酸素気液二相流の数値解析」は,特に噴射器近傍における水素・酸素の微粒化・混合過程に着目したものであるが,今年度までに得られた成果として,「実在流体効果を厳密に考慮すること」「表面張力を考慮し気液二相流を扱えること」「非圧縮性・圧縮性流れを区別なく統一的に解析可能なこと」という上記課題に取り組む上で必須となる事柄を考慮可能な二次元軸対称解析コードの開発をほぼ終了した。検証課題として液柱ジェットの不安定性に関する解析を行い,液柱ジェットの分裂過程を再現可能であり,入口変動の周期により分裂長さが変化することなど妥当な結果が得られることが確認できた。特にロケットエンジンの噴射器流れの特徴として気液界面の速度差や温度差が挙げられるが,中でも温度差については表面張力係数が温度の関数であり臨界温度以上では表面張力が消失するため,高温水素と低温液体酸素との混合時における酸素液柱の微粒化は界面の温度に強く依存する。しかし酸素の熱容量が大きいために酸素は臨界温度を容易には超えず,表面張力が存在し続け液柱の分裂が起こることが確認された。このことは特に比熱が非常に大きくなる臨界点近傍の条件では顕著となり,実在流体を厳密に考慮可能な二相流解析を行うことで初めて明らかになることである。
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