極低温ロケットの多用途化に関わる界面相変化と熱流動現象の総合的研究

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 18H01622
• 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): 2018-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 極低温 / ロケット / スロッシング / タンク / CFD / 液体水素

研究実績の概要

極低温スロッシング実験では、真空断熱槽(クライオスタット)の内部に設置した小型透明の密閉容器に極低温液体と常温気体を封入し、スロッシングと温度場が連成する流れ場を実現した。真空断熱槽を電動加振機に連結し、水平方向と様々な非定常加速度を与えることで、液面変形が線型応答を呈する場合から、砕波を生じる強非線形応答を呈する場合まで、容器内部での熱交換と相変化に起因する圧力変動を計測するとともに、真空断熱槽の観察窓を通じて容器内部の液面挙動や液滴を高速度撮影した。本年度は、タンク内にスロッシングに対する障害物を艤装した場合についても実験を試み、これまでに構築した実験手順により、再現性に優れたデータを取得できた。また、気液界面近傍に形成される、飽和液層の厚さを様々に変化させた対照実験により、スロッシングによる液温成層の破壊がタンク急減圧の直接原因になることを確認するとともに、障害物の存在によってスロッシングに伴う液面揺動を減衰させる場合でも、液温成層の破壊と攪拌が促進される場合には、サブクール液が気相側に暴露し、気相凝縮と圧力降下が促進されることが分かった。
大型液体水素タンク減圧実験では、昨年度に取得した、宇宙航空研究開発機構・能代ロケット実験に設置された容量30立方メートルの液体水素タンクを活用し、実機寸法に近いタンクで液体水素を対象とした減圧特性の取得試験データを対象とした、数値解析を実施し、実験を再現するサブグリッド相変化モデルの考案して実装した。
以上を総合し、独自の自由表面流数値解法を固体伝熱解法とも練成させて改良し、工学的に有用な設計手法として提案した。

現在までの達成度 (段落)

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] NASA(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NASA
• [雑誌論文] Pressure recovery during pressure reduction experiment with large-scale liquid hydrogen tank (2021)
  • 著者名/発表者名: Tani Kazuma、Himeno Takehiro、Sakuma Yasunori、Watanabe Toshinori、Kobayashi Hiroaki、Toge Terukuni、Unno Syuntaro、Kamiya Shoji、Muragishi Osamu、Kanbe Katsuhiro
  • 雑誌名: International Journal of Hydrogen Energy 巻: 2021 ページ: In Press
  • DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.12.184
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Experimental analysis of thermal behavior in cryogenic propellant tank with different pressurants (2020)
  • 著者名/発表者名: Kinefuchi, K., Kawashima, H., Sugimori, D., Umemura, Y., Okita, K., Kobayashi, H., Himeno, T.
  • 雑誌名: Cryogenics 巻: 112 ページ: 103196
  • DOI: 10.1016/j.cryogenics.2020.103196
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ground based experiment and numerical calculation on thermodynamic vent system in propellant tank for future cryogenic propulsion system (2020)
  • 著者名/発表者名: Imai, R., Nishida, K., Kawanami, O., Umemura, Y., Himeno, T.
  • 雑誌名: Cryogenics 巻: 109 ページ: 103095
  • DOI: 10.1016/j.cryogenics.2020.103095
  • 査読あり
• [学会発表] CFD modeling of cryogenic chilldown in a complex channel under normal and low gravity conditions (2020)
  • 著者名/発表者名: Pesich, J., Hauser, D., Hartwig, J., ...Umemura, Y., Himeno, T.
  • 学会等名: AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum
  • 国際学会
• [学会発表] CFD modeling of phase change and pressure drop during violent sloshing of cryogenic fluid in a small-scale tank (2020)
  • 著者名/発表者名: Kartuzova, O., Kassemi, M., Umemura, Y., Kinefuchi, K., Himeno, T.
  • 学会等名: AIAA Propulsion and Energy 2020 Forum
  • 国際学会
• [学会発表] Research on Propellant Slosh Dynamics of a Martian Moon Lander (2020)
  • 著者名/発表者名: Keitaro Anii, Takehiro Himeno, Mitsuhisa Baba, Toshinori Watanabe, Masatsugu Otsuki, Yutaka Umemura
  • 学会等名: Space Propulsion 2020+1
  • 国際学会
• [備考] 宇宙輸送系の流体管理に関連する研究紹介
  • URL: https://www.t.u-tokyo.ac.jp/foe/topics/setnws_201906281249459745867077.html