宇宙機における液体推進薬のスロッシングと相変化が連成する熱流動現象の解明

2008 年度 研究成果報告書

• 研究課題/領域番号: 19760560
• 研究種目: 若手研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 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, 大学院工学系研究科, 准教授 (60376506)
• 研究期間 (年度): 2007 – 2008
• キーワード: 航空宇宙流体 / 推進 / 液体ロケット / 相変化 / スロッシング

研究概要

本研究では、流体管理技術の確立へ向け、主として宇宙機の推進薬タンク内部の自由表面流を対象とし、その熱流動特性を実験と数値解析の両面から詳しく調べた。加速度振幅を様々に変えた実験を通じ、密閉容器内部における液体揺動(スロッシング)の規模と圧力変動の相関を定量的に整理した。その結果、スワールモードや砕波などの非線形的な液体揺動の出現と容器内圧力変化に強い相関が確認され、容器内の気相への熱伝達が著しく促進されることが確認された。また、関連する流体機器の設計に不可欠な基盤技術として、自由表面流の数値解析手法(CIP-LSM)を高度化し、気液界面での物理量不連続を1 計算格子以内で捕捉するとともに、気相側の状態方程式を考慮しつつ温度場の解析を可能にする界面熱伝達モデルおよび相変化モデルを考案した。

研究成果

• [雑誌論文] 様々な加速度環境における自由表面流の数値解析 (2008)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 雑誌名: 日本応用数理学会誌 "応用数理" Vol.18, No.1 ページ: 128-139
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical simulation of gas-liquid two-phase flow and convective heat transfer in a micro tube (2007)
  • 著者名/発表者名: K. Fukagata, N. Kasagi, P. Ua-arayaporn and T. Himeno
  • 雑誌名: Int. J. Heat and Fluid Flow Vol.28 ページ: 72-82
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical Study on Flow Induced Vibration of LOX Post in Liquid Rocket Engine Preburner (2007)
  • 著者名/発表者名: C Inoue, T. Watanabe and T. Himeno
  • 雑誌名: International Journal of Gas Turbine, Propulsion and Power Systems Vol.1, No.1 ページ: 22-29
  • 査読あり
• [学会発表] リングバッフルによる大振幅スロッシング抑制効果の数値解析 (2009)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 野中聡, 成尾芳博, 青木広太郎, 渡辺紀徳, 稲谷芳文, 青木宏
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会第49回航空原動機・宇宙推進講演会
  • 発表場所: 長崎
  • 年月日: 20090305-06
• [学会発表] スロッシングに促進される気液熱交換と相変化の数値解析 (2008)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 梅村悠, 渡辺紀徳, 野中聡
  • 学会等名: 日本機械学会第21回計算力学講演会
  • 発表場所: 沖縄
  • 年月日: 20081101-03
• [学会発表] CIP-LSM 法を用いた自由表面流解析の非構造格子系への拡張 (2008)
  • 著者名/発表者名: 小野智之, 宮本康治, 姫野武洋
  • 学会等名: 日本機械学会第21回計算力学講演会
  • 発表場所: 沖縄
  • 年月日: 20081101-03
• [学会発表] Preliminary Investigation on Heat Exchange Enhanced by Sloshing (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, Y. Umemura, T. Watanabe and H. Aoki
  • 学会等名: AIAA 2008-4055, The 43rd AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Hartford
  • 年月日: 20080721-23
• [学会発表] Numerical Analysis of Sloshing in Tank for Reusable Sounding Rocket (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani, H. Aoki and T. Watanabe
  • 学会等名: ISTS-2008-a-14, 26th International Symposium on Space Technology and Science
  • 発表場所: Hamamatsu
  • 年月日: 20080601-08
• [学会発表] 濡れ性に駆動される液体の数値解析 (2008)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 学会等名: 日本計算工学会第13回計算工学講演会
  • 発表場所: 仙台
  • 年月日: 20080519-21
• [学会発表] Development of Effective Algorithms for the Analysis of Free-surface Flows under Various Conditions in Gravity (2008)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno
  • 学会等名: The 2nd International Symposium on Propulsion for Space Transportation
  • 発表場所: Heraklion
  • 年月日: 20080505-08
• [学会発表] バッフル板によるスロッシング抑制効果の数値解析 (2007)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋, 野中聡, 青木広太郎
  • 学会等名: 第21回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20071219-21
• [学会発表] Numerical Analysis of Sloshing and Wave Breaking in a Vessel by CIP-LSM (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno and T. Watanabe
  • 学会等名: APCOM'07 in conjunction with EPMESC XI
  • 発表場所: Kyoto
  • 年月日: 20071203-06
• [学会発表] Level Set法、CIP法、VOF 法を協調させた界面追跡法 (2007)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋,渡辺紀徳
  • 学会等名: 日本機械学会2007年度年次大会講演
  • 発表場所: 大阪
  • 年月日: 20070909-12
• [学会発表] Numerical and Experimental Investigation on Sloshing in Rocket Tanks with Damping Devices (2007)
  • 著者名/発表者名: T. Himeno, T. Watanabe, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani and H. Aoki
  • 学会等名: AIAA 2007-5557, The 43rd AIAA/ASME/SAE/ ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit
  • 発表場所: Cincinati
  • 年月日: 20070708-11
• [学会発表] CIP法、MARS法、Level Set法を協調した自由表面流解析法 (2007)
  • 著者名/発表者名: 姫野武洋
  • 学会等名: 日本計算工学会第12回計算工学講演会
  • 発表場所: 東京
  • 年月日: 20070522-24
• [備考] T. Himeno, T. Watanabe, S.Nonaka, Y. Naruo,,Y.Inatani and H. Aoki, Best Paper Award (Liquid Propulsion), American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA). 2008年7月(贈賞)
• [備考] 姫野武洋, 優秀講演論文賞, 日本計算工学会第13回計算工学講演会, 2008年12月(贈賞)
• [備考] 姫野武洋, 優秀講演表彰, 日本機械学会第21回計算力学講演会, 2009年3月(贈賞)
• [備考]
  • URL: http://park.itc.u-tokyo.ac.jp/jetlab/research/twophase/