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極低温推進薬の軌道上貯蔵・輸送に向けた減圧沸騰現象の解明と予測手法の開発

真空沸腾现象的阐明及低温推进剂在轨储存和运输预测方法的发展

基本信息

批准号：
21J11910
负责人：
谷和磨
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J11910/
关键词：
極低温流体減圧沸騰 CFD Flashing 液体水素沸騰 Space Depot Hydrogen Carrier

项目摘要

軌道上での極低温推進薬管理技術の確立に向けて、大型液化水素タンク内における沸騰凝縮を伴う気液二相熱流動現象の研究を行なってきた。界面張力が重力を卓越する宇宙空間では、エンジン再着火時などの動的加速度環境も含め相変化による液体挙動や圧力変動の経験的な予測が難しく、適切に流体機器を運用できない危険性がある。極低温推進薬管理技術は、こうした課題を解決し軌道上での推進薬の長期貯蔵・輸送の実現を目指すものであり、昨今計画されている様々な有人惑星探査の実現に欠かせない技術である。しかし、実機寸法タンクでの沸騰試験データが不足している上、極低温推進薬の熱流動特性に基づいた定量的な実機寸法タンク内現象予測手法は、沸騰現象(小寸法)とタンク(大寸法)のスケールの違いから計算コストも大きく未だ確立されていない。実機寸法テスト機の打ち上げによる実験的観測も困難であるため、地上試験から相変化を伴う気液二相熱流動特性を適切に予測する技術の開発が求められている。よって、軌道上での極低温推進薬管理に向けて、動的加速度・微小重力環境における沸騰気泡の成長を考慮した相変化モデルを新たに提案し、減圧時の実機寸法タンク内の相変化を伴う熱流動現象を解明することを目的とした研究を実施した。本年度の研究実績としては、気液界面での相変化モデルを開発し、大型タンク内での相変化を伴う熱流動予測を可能にした。新たに開発したモデルでは、計算コスト低減のため次のような工夫を加えた。物性値を1点で代表する格子が小さい場合は数値流体計算で直接沸騰計算し、大きな格子では数値流体計算に加え、小さくて捉えきれない現象はサブグリッドスケールモデルによって計算する。そして、サブグリッドスケールモデルでは、壁面での気泡成長モデルと、壁面以外では界面情報が不要な相変化モデルを用いた。

The establishment of cryogenic propulsion management technology in orbit and the study of boiling condensation and accompanying two-phase thermal flow phenomenon in large liquefied water Interfacial tension is important in outer space. It is difficult and dangerous to predict the dynamic acceleration environment in outer space, including phase change, fluid dynamic and pressure change, and the application of fluid machinery. The problem of cryogenic propulsion management technology is solved, and the goal of long-term storage and transportation of propulsion materials in orbit is pointed out. In addition, the boiling test data of the actual machine method is insufficient to determine the thermal flow characteristics of the extremely low temperature propulsion. It is difficult to measure the temperature of the engine, and the temperature of the ground is difficult to predict the two-phase heat flow characteristics of the accompanying liquid. The research on the phase change of cryogenic propulsion in orbit and microgravity environment is carried out to solve the phase change and thermal flow phenomenon. This year's research achievements include the development of phase transition at the gas-liquid interface, and the possibility of phase transition and heat flow prediction in large-scale vehicles. New development, calculation, reduction, and time increase Physical properties: 1 point represents the number of cells in the small case, the number of fluids in the large case, the number of fluids in the large case, and the number of particles in the small case. For example, if you want to change the interface information, you can change the interface information.