ロケット燃焼器を想定した定量的レーザー計測の確立による極限環境現象の解明

通过假设火箭燃烧室建立定量激光测量来阐明极端环境现象

• 批准号: 21J12839
• 负责人: 樋口 靖浩
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Tohoku University
• 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-21J12839/
• 关键词: 高圧燃焼; レーザー計測; OH-PLIF; 定量計測; ロケット燃焼; OH濃度; OH平面レーザー誘起蛍光; 拡散火炎

ロケットエンジン内部の燃焼現象を可視化する計測技術の高度化およびその燃焼現象の解明が本研究の目的である． OH-平面レーザー誘起蛍光(OH-PLIF)計測は火炎の断面を撮影する手法として利用されてきたが，ロケット燃焼特有の高圧高温・推進剤が超臨界流体となる条件への適用は困難であった．本研究は，OH(2,0)励起手法の開発に取組み，最大5.0 MPaのガス水素／ガス酸素(GH2/GO2)ロケット燃焼おいて計測のSignal-to-noise ratio (S/N)を改善し，鮮明なOH-PLIF画像の取得に成功した．取得された火炎の断面像を用いて，圧力・噴射レイノルズ数条件に対する反応帯の依存性を明らかにした．しかし，実機に近いガス水素／液体酸素(GH2/LOX)燃焼では，LOXによって入射レーザー光が散乱されるため，S/Nが著しく低下した．計測手法の高度化に取組み，GH2/LOX燃焼ではOH(2,0)励起OH(2,2)蛍光計測が適当であることを明らかにした．同手法は，強烈なノイズとして干渉するレーザーのミー散乱光(263 nm付近)や液体酸素のラマン散乱光(274 nm付近)と比べ，波長域が大きく離れたOH(2,2)バンド蛍光(320 nm)のスペクトルを撮影することが特徴である．OH(2,0)励起OH(2,2)蛍光計測手法を最大7.0 MPaのGH2/LOX燃焼に適用した結果，S/Nが良好なOH-PLIF画像の取得に成功した．申請者の知る限り，最大7.0 MPaのGH2/LOX燃焼の火炎断面を取得した前例はなく，本研究で提案した手法は燃焼現象の解明に資すると考えられる．また，高圧高温燃焼に対する定量的なLIF計測の取組みでは，最大3 MPaのGH2/GO2ロケット燃焼に対して，OH(2,0)励起双方向LIF計測を行うことでOH濃度を推定し，数値計算との比較を行った．

The purpose of this study is to improve the measurement technology and visualize the combustion phenomenon inside the combustion chamber. OH-PLIF (OH-PLIF) measurement of cross-section of combustion is difficult to apply due to the high pressure and high temperature characteristic of combustion. In this study, the Signal-to-noise ratio (S/N) of OH(2,0) excitation method was improved by using the maximum GH2/GO2 ratio of 5.0 MPa, and the vivid OH-PLIF image was successfully obtained. To obtain a cross section image of the flame, the pressure, the ejection, the number of conditions, and the dependence of the flame. The combustion of GH2/LOX in the near future will result in the decrease of S/N ratio due to the scattering of incident light. The measurement method is highly optimized, GH2/LOX combustion is OH(2,0) excited OH(2,2) luminescence measurement is appropriate. With the same technique, it is possible to scatter light.(263 nm near) and liquid acid light scattering OH(2,0) excited OH(2,2) fluorescence measurement method was applied to GH2/LOX combustion up to 7.0 MPa. As a result, S/N ratio was good. OH-PLIF image was successfully obtained. The applicant's knowledge limit, the maximum 7.0 MPa GH2/LOX combustion flame cross section was obtained, this study proposed the method to solve the combustion phenomenon. For high pressure and high temperature combustion, quantitative LIF measurement is performed. For GH2/GO2 combustion, OH(2,0) excitation is performed. For bi-directional LIF measurement, OH concentration is estimated. For numerical calculation, comparison is performed.

项目成果

OH(2,0) 励起を用いた1次元定常火炎のOH濃度計測

使用 OH(2,0) 激发测量一维稳定火焰中的 OH 浓度

• 发表时间: 2021
• 作者: Yamaguchi Mina;Ishii Akihiro;Oikawa Itaru;Yamazaki Yusuke;Imura Masaaki;Takamura Hitoshi;樋口靖浩，布目佳央，富岡定毅，富田健夫，工藤琢，早川晃弘，小林秀昭
• 通讯作者: 樋口靖浩，布目佳央，富岡定毅，富田健夫，工藤琢，早川晃弘，小林秀昭

気液混相ロケット燃焼に対するOH(2,0)バンド励起PLIF計測に関する研究

气液混相火箭燃烧OH(2,0)带激发PLIF测量研究

• 发表时间: 2022
• 作者: Tanaka Satoru;Ishii Akihiro;Yamaguchi Mina;Oikawa Itaru;Yamazaki Yusuke;Imura Masaaki;Takamura Hitoshi;樋口靖浩，布目佳央，高田仁志，工藤琢，早川晃弘，小林秀昭
• 通讯作者: 樋口靖浩，布目佳央，高田仁志，工藤琢，早川晃弘，小林秀昭

OH Concentration Measurement Using Bi-directional OH(2,0) LIF on Flat Flames

使用双向 OH(2,0) LIF 在平焰上测量 OH 浓度

• 发表时间: 2021
• 作者: Yasuhiro Higuchi;Yoshio Nunome;Sadatake Tomioka;Tomita Takeo;Taku Kudo;Akihiro Hayakawa;Hideaki Kobayashi
• 通讯作者: Hideaki Kobayashi

Quantitative OH Concentration Measurement on Calibration Flat Flame Using Bi-directional OH(2,0) LIF

使用双向 OH(2,0) LIF 对校准平焰进行定量 OH 浓度测量

• 发表时间: 2021
• 作者: Yasuhiro Higuchi;Yoshio Nunome;Sadatake Tomioka;Tomita Takeo;Taku Kudo;Akihiro Hayakawa;Hideaki Kobayashi
• 通讯作者: Hideaki Kobayashi

Quantitative OH concentration measurement using OH(2,0) band bi-directional LIF method for high-pressure and high-temperature symmetrical flames

采用 OH(2,0) 带双向 LIF 法对高压高温对称火焰进行 OH 浓度定量测量

• DOI: 10.1299/jtst.22-00216
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Thermal Science and Technology
• 影响因子: 1.2
• 作者: Yasuhiro Higuchi;Yoshio Nunome;Satoshi Takada;Ryoma Yoshikawa;Taku Kudo;Akihiro Hayakawa;Hideaki Kobayashi
• 通讯作者: Hideaki Kobayashi