| 研究課題/領域番号 |
21H01528
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
中谷 辰爾 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (00382234)
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| 研究分担者 |
津江 光洋 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (50227360)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | メタンロケットエンジン / 超臨界 / 分光計測 / データ駆動型アプローチ / 振動燃焼 |
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| 研究実績の概要 |
本年度は，まずピントル型噴射器を有する液体推進剤を用いたロケットエンジン燃焼器の亜臨界状態における噴霧特性に着目し，水を推進剤として実験を実施した．亜臨界状態におけるロケットエンジン燃焼実験において，全体運動量比の変化により燃焼効率が変化することが示されている．燃焼効率の変化に及ぼす微粒化特性の影響を調べるため，噴霧測定法を実施するための光学系の構築，予備試験の実施および本試験を行なった．計測法として干渉レーザー画像液滴径測定(ILIDS)法を採用した．最初に単純な噴霧場において，光学系の設計製作を実施し，半導体励起Nd-YAGレーザーにおいて噴霧計測を行いた．噴霧中の液滴径を画像に対して高速フーリエ変換を応用した液滴径測定手法の構築を行なった．単純な噴霧場において，液滴径分布を高精度で測定することができた．その後，ピントル型インジェクタの場に適用する予備試験を実施した．結果，いくつかの測定法の課題解決の必要性が示されたものの，液滴径分布を測定できる可能性が示された．
超臨界状態における液体メタン/液体酸素の数値シミュレーションを実施するため，理想気体ではない熱力学的物性値の評価が必要となる．本年度はいくつかの実在気体の状態方程式に対して，密度，比熱，エンタルピー等の熱力学的物性値を評価するため，いくつかの状態方程式に対して文献調査および計算を行なった．Peng-Robinson(PR)，Soave-Redlich-Kwong(SRK)の2パラメータ状態方程式と，3パラメータの状態方程式(RK-PR)状態方程式を考慮した．これらの数値計算結果をNISTのデータベース等と比較を行なった．結果，予備調査においては，RK-PRの状態方程式の精度が良いことが示された．また，理想気体を用いたメタン/酸素のFlamelet法による数値シミュレーションを実施し，実行性が示された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究では，液体メタン/液体酸素を推進剤とするピントル型インジェクタを用いたロケットエンジンモデル燃焼器内の非定常燃焼挙動に着目している．超臨界状態にいける高圧力の燃焼実験は大学キャンパス内では実施することが困難であり，共同研究先のインターステラテクノロジズの設備を使用して実施する予定であった．本年度，インターステラテクノロジズでは，調達や設計の遅れから推進剤供給設備を始めとする実験設備が構築できていない．そのため，超臨界条件における実験の実施は困難であった．そのため，従来実施してきたエタノール/液体酸素のピントル型インジェクタを用いたロケットエンジンモデル燃焼器内の燃焼挙動に着目した．スポーク型とスリット型を使用した場合に燃焼挙動に違いが見られるため，微粒化挙動を明らかにすることを目指し，干渉レーザー画像液滴径測定手法確立を行なった．いくつかの予備試験を通じ，干渉レーザー画像液滴径測定手法を確立することができた．また，本計測手法をピントル型インジェクタの微粒化測定に応用した際の課題を把握することができた．今後，計測を実施する上で重要な知見を得ている．
数値計算においては，超臨界状態における熱物性値を求める手法を確立する上で，文献調査，手法の構築および予備計算を実施することができ，PR，SRK，RK-PRの三つの方程式に対して検証することができ，その特性を明らかにすることができた．今後の数値計算の方向性を明確に決定することができた．
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| 今後の研究の推進方策 |
超臨界状態における液体メタン/液体酸素を推進剤とするピントル型インジェクタを使用したロケットエンジンモデル燃焼器の燃焼試験の実施には，共同研究先の設備の構築が必須であり，外部環境に依存して遅延しがちであるため，適宜準備をしておく．研究室内で実施できる項目として，本年度実施した干渉レーザー画像液滴径測定法による液滴径分布測定や影画像における噴霧形状測定を実施し，微粒化とC*効率の関係性について考察するための基礎データを取得する．全体運動量比やウェーバー数をパラメータとし，実験条件の変化における上記のパラメータ特性を明らかにする．スポーク型およびスリット型のインジェクタを使用した場合における微粒化特性が燃焼効率に及ぼす影響を調べる．また，超臨界状態に至る高温，高圧力条件における燃焼測定においては，大きな光学窓を用いた観察は困難である．そのため，多分岐ファイバと光学系を用いたOH*およびCH*を用いた化学発光ベースの分光計測手法を確立する．同時に，これらのスペクトルに関して，スペクトル分布や広がりなどを考慮した理論計算手法を確立し，理論計算空間と実験空間を結びつけ，ガウス過程を始めとする機械学習手法などによる写像手法により温度空間へ写像すること温度を求める手法を構築する．まずは実験室におけるバーナー火炎において計測を実施し，基本的な化学発光スペクトルの取得と理論計算を実施する．
数値計算に関しては，RK-PRの状態方程式を利用し，熱力学的物性値を推定する手法を構築する．また，多成分系における手法に拡張を行うことで，数値計算を実施する．これらの計算モデルを燃焼モデルに応用することを目指す．対向流拡散火炎およびピントル型インジェクタを用いた系に応用し，臨界点近傍の数値計算モデルの確立を目指す．
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