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。

为了建立一种用于管理轨道中低温推进剂的技术，我们一直在研究气体液体两相热流现象，并伴随着大型液化氢气罐中的凝结。在界面张力在重力方面表现出色的外层空间，很难从经验上预测由相变的液体行为和压力波动，包括重新点燃引擎时动态加速度环境，并且存在流体设备无法正确操作的风险。低温推进剂管理技术旨在解决这些挑战并实现推进剂在轨道上的长期存储和运输，这是实现最近计划的各种载人行星探索的重要技术。但是，缺乏关于实际尺寸储罐的沸腾测试数据的数据，并且基于低温推进剂的热流量特征来预测坦克现象的定量方法仍然很大，并且由于沸腾现象（小尺寸）和水箱（大尺寸）的规模差异，尚未确定计算成本。由于也很难通过启动实际尺寸的测试机进行实验观察，因此有必要开发一种技术，该技术可以适当地预测气体液体两相热流动特性，并通过地面测试的相位变化。因此，为了管理轨道上的低温推进剂，我们提出了一种新的相变模型，该模型考虑了动态加速度和微重力环境中沸腾气泡的生长，并进行了一项旨在阐明在减压过程中与实际机器尺寸储罐的相位变化相关的热流现象相关的研究。今年的研究结果已开发出在气体液体界面上开发相变模型，从而可以随着大型储罐的相变量预测热流量。新开发的模型具有以下独创性，可降低计算成本。如果将物理性质值降低一个点的网格直接作为使用计算流体计算的沸腾方法来计算，除了计算大型网格的数值流体计算外，使用亚网格尺度模型还计算出小且令人难以置信的现象。在亚网格量表模型中，壁上的气泡增长模型和相变模型在壁曲面以外不需要界面信息。