2018 Fiscal Year Research-status Report
Combuarion oscillation dynamics of liquid rocket engine combustor with a pintle injector
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18K04558
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
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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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | ロケットエンジン / 燃焼不安定性 / ピントル型噴射器 / 動的モード分解 / 液体酸素 / エタノール / 液体酸素 / 化学発光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ピントル型噴射器を持つエタノール/LOxモデル燃焼器を設計し製作した．光学測定を実施するため石英を外筒とする可視化燃焼器と金属を外筒とする金属燃焼器を作成した．噴射器に関して，内部構造にオリフィス部を設置し一定流量の確保を行った．本研究においては，ロケットエンジン燃焼器内の燃焼不安定性を調べるため，高速度カメラを使用した高速測定に加え，高周波で測定可能な圧力センサを燃焼器壁面に設置した．実験装置が完成した後，スリット型噴射器を使用して基礎燃焼試験を実施した．本年度は実験機器の作動，制御や測定および解析手法の確立を行った．圧力測定結果に関しては，FFTあるいはウェーブレット解析プログラムを作成し，高周波で燃焼不安定性を捉えることができた．従来の計測では燃焼に起因すると考えられていた不安定性がインジェクタ起因であることが高周波圧力測定により明らかとなった．また，高速度カメラ中心波長430nmのバンドパスフィルタを用いることで431nmのCH*化学発光を20,000fpsで実施した．得られた高速度カメラの映像を各画像に変換し，画像データをベクトル化することで固有直行分解法(POD)および動的モード分解法による解析を実施した．結果，PODおよびDMD両方において，画像から燃焼室内で観察された燃焼振動のスペクトルを明確に捉えることができた．これらのスペクトログラムにおいては，燃焼室の長さ方向に振動する長さモードの振動とその整数倍成分が明確に捉えることが出来た．また，激しい燃焼振動が起きているときには，その長さモードが高周波数方向にシフトし，燃焼室の燃焼温度が高くなっていることが示唆された．一方で，これらの解析手法は時不変的な現象解析となっており，これらの燃焼振動のピークが二重で観察されるようになっており，今後遷移状態を捉えられるよう手法を改善していく必要がある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度はロケットエンジンモデル燃焼器の実験装置の設計および製作を実施し，基礎燃焼試験を実施した．モデル燃焼器の作動シークエンス，停止シークエンスは適切に設定され，燃焼状態は概ね想定の範囲内であった．制御系および計測系の構築もスムーズに行われた．可視化燃焼器においては，ある強い振動燃焼時において破損が確認されたが，それ以外に関しては焼損も無く，安定した実験の実施が可能となった．金属燃焼器においては，特筆すべき問題は観察されず，今後燃焼試験を円滑に実施できる環境が構築された．高周波数圧力センサを使用した計測においても，圧力センサの焼損の可能性が懸念されたが，冷却システムに問題も無く安定して計測を実施することが出来た．また，取得されたデータへのFFTおよびウェーブレット解析による非定常解析結果から多くの情報を取得できた．音響振動モードや流体に起因する圧力変動を明確に捉えることが出来ている．高速度カメラ画像を用いた固有値直行分解，および動的モード分解に関して，解析プログラムの開発を速やかに終了し，標準的な手法による解析を行うことが出来た．この結果，圧力測定で観察されたスペクトルと同様のスペクトルが化学発光測定においても確認された．今後，圧力挙動と化学発光挙動の位相差および変化を調べていくことでロケットエンジン燃焼器内における燃焼振動発生メカニズムを詳細に調べることが可能となった．
以上，ロケットモデル燃焼器を用いた燃焼試験を実施するに当たり，必要な実験装置の設計製作，制御系や計測系の構築および実験シークエンスの確立を行った．一年目において概ね通常試験を実施できる状態となり，本燃焼試験を実施することが可能となった．また，今後，本試験を実施しながら，噴射器形状パラメータの変更を行い，様々な噴射条件でのC*効率や燃焼不安定性の挙動を実験的に調べる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では，一般的に燃焼安定であると言われているピントル噴射器を用いたロケットエンジンモデル燃焼器内において燃焼不安定性を調べることを目的としている．実際の燃焼試験において，燃焼不安定性の発生が観察されている．現在はスリット型の燃料噴射器を使用しているが，スポーク型の燃料噴射器を設計製作し実験を実施することで燃焼不安定性の発生メカニズムの違いを調べる．ピントル噴射機においては推進剤の全運動量比が微粒化や燃焼効率の増大に大きく影響を及ぼすとされている．スポーク型においては局所的な運動量比が大きくなる．ピントル型噴射器における燃焼不安定性が全運動量比あるいは局所運動量比の違いによる微粒化特性の変化に影響されるのかを調べ，影響するパラメータを明らかにする．また，本研究においては燃焼不安定性の発生および遷移メカニズムを明らかにすることを目指している．そのため，これまで行ってきた線形解析手法に基づく固有値直行分解手法を非線形カーネルに基づく主成分分析手法に拡張するのに加え，窓関数を用いた動的モード分解を実施することで非定常現象を明らかにする．そのため，高速度カメラで測定された動画に対して非線形解析手法を応用する．
燃焼不安定性は一般的にレイリー条件に基づき判断されている．本研究ではCH*化学発光が燃焼による発熱量分布に比例していると考えているが，高温ロケット燃焼器においては二酸化炭素などの発光などの影響も無視できないと考えられる．そのため，今後は分光器を使用してロケットエンジンモデル燃焼器内の発光分析を行う．
また，燃料中に粒子を含む場合，音響波の減衰等により燃焼不安定性が抑制される可能性がある．推進剤であるエタノールにアルミニウム粒子等を添加し，単純なバーナーを使用して燃焼させる．粒子含有液体燃料の燃焼挙動に関する知見を獲得する．
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Research Products
(2 results)
