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

• 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

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。

Orbit で の extremely low temperature boost の established に 薬 management technology to け て, large liquid water element タ ン ク within に お け る boiling condensation を with う 気 liquid two-phase flow phenomenon の を line な っ て き た. Interfacial tension が gravity を excellence す る space で は, エ ン ジ ン again when fire な ど の dynamic acceleration environment contains も め phase variations of に よ る fluid dynamic や 挙 pressure - move の 経 験 な to measure が difficult し く, appropriate に を fluid machine using で き な い dangerous 険 sex が あ る. Extremely low temperature boost は 薬 management technology, こ う し た project を し orbit で の propulsion 薬 の 蔵 storage for a long time, conveying の be presently を refers す も の で あ り, yesterday this plan さ れ て い る others 々 な someone planet probe の be に now owe か せ な い technology で あ る. し か し, be machine inch タ ン ク で の boiling test デ ー タ が insufficient し て い る, extremely low temperature on advancing 薬 の heat flow characteristics に base づ い た quantitative な be machine "method タ ン ク phenomenon to measure technique は, boiling phenomena (inches) と タ ン ク (inches) の ス ケ ー ル の violations い か ら computing コ ス ト も big き く not だ さ れ て い な い. Be method of machine "テ ス ト machine の hit ち げ に よ る be 験 観 も measurement difficulties で あ る た め, the ground test か ら phase - change を with う 気 liquid two phase heat flow characteristics を appropriate に be す る technology の open 発 が o め ら れ て い る. よ っ て in orbit, で の extremely low temperature propulsion 薬 management に to け て, moving acceleration, small gravity に お け る boiling の 気 bubble growth を consider し た phase - change モ デ ル を new た に proposal when し, subtract 圧 の be machine "method タ ン ク の phase variations within the を with う heat flow phenomenon を interpret す る こ と を purpose と し た research を be applied し た. This year be の research performance と し て は, 気 liquid interface で の phase - change モ デ ル を open 発 し, large タ ン ク within で の phase - change を with う heat flow may be を に し た. New たに develops たモデ たモデ で で えた, calculates コスト less <s:1> ため times <s:1> ような ような time を plus えた. Property numerical を 1 で representative す る small grid が さ い occasions は で boiling directly calculates the numerical fluid し, big き な grid で は the numerical fluid calculation に え, small さ く て catch え き れ な い phenomenon は サ ブ グ リ ッ ド ス ケ ー ル モ デ ル に よ っ て computing す る. そ し て, サ ブ グ リ ッ ド ス ケ ー ル モ デ ル で は, wall で の 気 bubble growth モ デ ル と, wall outside で は interface intelligence が don't な phase - change モ デ ル を with い た.

项目成果

CFD SIMULATION OF PRESSURE REDUCTION INSIDE LARGE-SCALE LIQUEFIED HYDROGEN TANK

• 发表时间: 2021
• 作者: Tani

3D CFD Simulation of Pressure Reduction Inside 30m3 Liquefied Hydrogen Tank

30立方米液化氢罐内减压的3D CFD模拟

• 发表时间: 2021
• 作者: K. Tani;T. Himeno;T. Watanabe;H. Kobayashi;T. Toge;S. Unno;S. Kamiya;O. Muragishi;K. Kanbe
• 通讯作者: K. Kanbe

NUMERICAL SIMULATION ON PRESSURE REDUCTION PHENOMENON WITH LARGE-SCALE LIQUEFIED HYDROGEN TANK

大型液化氢罐减压现象的数值模拟

• 发表时间: 2022
• 作者: K. Tani;T. Himeno;T. Watanabe;H. Kobayashi;S. Unno;S. Kamiya;Y. Nakashima;O. Muragishi;K. Kanbe
• 通讯作者: K. Kanbe