hypergolic phenomena based on innovative thermo-fluid analysis considering detailed reaction mechanism in liquid phase

本研究の目的は，第一原理から構築された液相の詳細化学反応機構(素反応・その速度定数・化学種全ての熱力学データのモデリング技術を含む)と数値流体シミュレーションをカップリングさせた反応性熱流体解析に関する学術基盤を確立し，化学/物理現象が複雑に相互作用する高速過渡的現象である宇宙機用推進剤の自着火現象を本質的に理解し，その能動的制御を達成することである．2022年度には、従来の量子力学/連続誘電体モデル(QM/PCM)法に基づいたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の詳細反応機構に拡散過程を取り込んだ詳細反応モデルを構築することができた。当該モデルを用いて自着火反応をシミュレーションしたところ、打撃感度が高い爆発性の中間体が生成することがわかり、この中間体生成が衝撃波を伴うような激しい着火現象の原因の一つとして考えられた。これまで理論的課題があったQM/PCM法を利用した溶液中化学種に関する熱力学データ推算についても理論を見直し、計算精度向上を達成した。これはQM/PCM法の枠組みを利用することで、これまで不可能であった溶液中化学種のエントロピーを高精度に推算する方法であり、これを詳細反応モデリングへ適用することができれば液相反応シミュレーション精度を大きく向上させられることが期待できる。加えて粒子法を用いたヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合に関するシミュレーションを試行し、同系の液滴/プール衝突実験に関する高速度撮影結果と比較することで、衝突挙動をよく模擬できることを見出した。

本研究の目的は，第一原理から構築された液相の詳細化学反応機構(素反応・その速度定数・化学種全ての熱力学データのモデリング技術を含む)と数値流体シミュレーションをカップリングさせた反応性熱流体解析に関する学術基盤を確立し，化学/物理現象が複雑に相互作用する高速過渡的現象である宇宙機用推進剤の自着火現象を本質的に理解し，その能動的制御を達成することである．2022年度には、従来の量子力学/連続誘電体モデル(QM/PCM)法に基づいたヒドラジン/四酸化二窒素混合系の詳細反応機構に拡散過程を取り込んだ詳細反応モデルを構築することができた。当該モデルを用いて自着火反応をシミュレーションしたところ、打撃感度が高い爆発性の中間体が生成することがわかり、この中間体生成が衝撃波を伴うような激しい着火現象の原因の一つとして考えられた。これまで理論的課題があったQM/PCM法を利用した溶液中化学種に関する熱力学データ推算についても理論を見直し、計算精度向上を達成した。これはQM/PCM法の枠組みを利用することで、これまで不可能であった溶液中化学種のエントロピーを高精度に推算する方法であり、これを詳細反応モデリングへ適用することができれば液相反応シミュレーション精度を大きく向上させられることが期待できる。加えて粒子法を用いたヒドラジン/四酸化二窒素の液滴/プール衝突混合に関するシミュレーションを試行し、同系の液滴/プール衝突実験に関する高速度撮影結果と比較することで、衝突挙動をよく模擬できることを見出した。