圧縮性固気二相乱流の数値解析による固体ロケットノズル表面後退量増大に関する研究

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固体ロケットノズルのスロートの下流で穴が開き,そこから漏れた燃焼ガスが周囲の制御機器の故障を招いたために,M-V4号機およびH-IIA6号機の打ち上げは失敗した.ノズル内壁は,スロート部では熱による損耗に強い耐熱材,下流のスカート部では熱をノズル外部に逃がさないために断熱材で覆われている.これら二種類の材質の表面後退速度が異なるため,繋ぎ目に段差が発生し,そこから誘起された縦渦と壁面が干渉することで局所的にノズル壁面の損耗が激しくなる箇所が発生する.これがノズルエロージョンと呼ばれ,ノズルに穴が開くメカニズムとして考えられているが,実験による流れ場の再現は難しく,メカニズム解明のためには高精度の数値計算が必要である.本年度はノズル内流れ場における後向き段差を過ぎる超音速流れについてWCNSを用いた陰的LES手法を適用し,段差下流に発生する渦構造と熱流束分布の関係について調査を行った.その結果,再付着点下流において縦渦とノズル壁との干渉により壁面熱流束が増大することが数値的に示された.本研究結果は,RANSでは確認できなかった現象であり,局所エロージョン現象の解明を促す非常に貢献度の高い成果である.また,局所エロージョン現象の解明には,LESに基づく非定常流れ場解析が必須であることを示唆するなど,非常に重要かつ有意義な知見を与えている.