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2012 年度 実績報告書

新しい微粒化概念に基づく液体ロケットエンジン用微粒化シミュレータの開発

研究課題

研究課題/領域番号 21246125
研究機関名古屋大学

研究代表者

梅村 章  名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60134152)

研究期間 (年度) 2009-04-01 – 2014-03-31
キーワード微粒化理論 / 数値シミュレーション / サブグリッドモデル / モデリング / 液体ロケット / 乱流微粒化 / 自己不安定化機構 / 二流体同軸ジェット
研究概要

(1) 乱流微粒化サブグリッドモデルの構築を目指した基礎研究
●短いノズルから層流状態で高速噴射された液体の微粒化が、ノズル内で作られたせん断層が、噴射液の表面近くに残っているために生じることを理論的に示し、その自己不安定化機構を明らかにした。乱流状態で噴射されるジェットでも基本的な微粒化特性が層流ジェットと同じになることより、平均流におけるせん断層の存在が、乱流微粒化を引き起こしていると考えられる。乱流塊が表面から飛び出して微粒化が起きるとする従来の考えには科学的根拠が薄弱であることが判明した。
●これまで超音波微粒化とジェットの微粒化は、全く独立な問題として、異なった研究者群によって調べられてきているが、筆者は、ジェットの乱流微粒化は超音波微粒化と原理を同じくすると考えている。超音波微粒化での基盤の振動と同じ役割を噴射液の不安定波が果たすことができるからである。そこで、ファラディー波に対して数値実験を行い、液糸の生成条件を明らかにすると共に、これまでの実験で求められてきた液滴生成条件の誤りを正した。また、液体ロケット用ノズルを用いた実験でのノズル近傍の噴射液の表面変形を撮影した高速度画像の詳細解析により、上記の考えに従って微粒化が発生していることを確認した。これにより、乱流微粒化サブグリッドモデルの定式化に必要な基礎知識がほぼ整った。
(2)新しい微粒化概念の妥当性を検証する宇宙実験の準備
航空機実験により宇宙実験の条件設定を確認すると共に、実験室実験によって重力の効きを調べた。大きな成果としては、実験室実験での低速噴射液ジェットのヒステリシス現象を利用し、噴射液の先端収縮によって作られる表面張力波が、上流に遡っていく間に重力加速ジェットによって波長が伸び、不安定波に転化する様子を示す画像を得ることができた。これは新しい微粒化概念を直接的に実証する画像である。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

研究を進めていくうちに、物理探求の深度が一層深まり、当初想定していたよりも有力な乱流微粒化サブグリッドモデルを構築する独創的なアイデアを得た。宇宙実験の実施に結びつけることができ、基礎概念の実験的詳細検証が可能になった。また、宇宙実験成果の公表に照準を合わせたプリーカーサーとしてこれまで国際誌に発表してきている研究成果は、国際的に非常に高い評価を獲得している。

今後の研究の推進方策

結果的に当初の研究計画と多少異なる道筋を辿った部分はあるものの、当初の研究目標を期間内に達成できる目途が立っている。従って、現在の構想に基づき必要な研究を着実にこなしていくことが大切であると考えている。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2013 2012

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 2件) 学会発表 (5件) (うち招待講演 2件)

  • [雑誌論文] Droplet/turbulence interaction and early flame kernel development in an autoigniting realistic dense spray2013

    • 著者名/発表者名
      J.Shinjo and A. Umemura
    • 雑誌名

      Proc. of the Combustion Institute

      巻: 34 ページ: 1553~1560

    • DOI

      10.1016/j.proci.2012.05.074

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 初期ディーゼル噴霧の一次微粒化および群燃焼形態形成の詳細数値解析2012

    • 著者名/発表者名
      新城淳史、梅村章
    • 雑誌名

      日本燃焼学会誌

      巻: 54 ページ: 139~146

    • DOI

      023942842

  • [雑誌論文] A Numerical investigation on dynamics and breakup of liquid sheet2012

    • 著者名/発表者名
      Mohammad Ali, Akira Umemura, Quamrul Islam
    • 雑誌名

      Journal of Fluids Engineering

      巻: 134 ページ: 101303(9 pages)

    • DOI

      10.1115/1.4007500

    • 査読あり
  • [学会発表] Toward a new paradigm of spray combustion research2013

    • 著者名/発表者名
      A.Umemura, J. Shinjo
    • 学会等名
      The 9th Asia-Pacific Conference on Combustion
    • 発表場所
      Gyeongju Hilton, Gyeongju, Korea
    • 年月日
      20130519-20130522
    • 招待講演
  • [学会発表] 同軸円形噴流におけるノズル近傍の気液界面挙動の研究2012

    • 著者名/発表者名
      伊藤岬、梅村章
    • 学会等名
      第50回燃焼シンポジウム
    • 発表場所
      産業労働センター ウインクあいち
    • 年月日
      20121205-20121207
  • [学会発表] 通常重力下及び微小重力下における液体水噴射液の分断に関する研究2012

    • 著者名/発表者名
      鈴木雄貴、大坂淳、梅村章
    • 学会等名
      第50回燃焼シンポジウム
    • 発表場所
      産業労働センター ウインクあいち
    • 年月日
      20121205-20121207
  • [学会発表] 噴霧中の液滴の相互干渉による熱・物質輸送への影響に関する数値解析2012

    • 著者名/発表者名
      新城淳史、梅村章
    • 学会等名
      第50回燃焼シンポジウム
    • 発表場所
      産業労働センター ウインクあいち
    • 年月日
      20121205-20121207
  • [学会発表] 流体力学と燃焼科学の狭間を 遊学する2012

    • 著者名/発表者名
      梅村章
    • 学会等名
      第50回燃焼シンポジウム
    • 発表場所
      産業労働センター ウインクあいち
    • 年月日
      20121205-20121207
    • 招待講演

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公開日: 2014-07-24  

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