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。

为了建立在轨低温推进剂管理技术，我们一直在对大型液化氢储罐中伴随沸腾冷凝的气液两相热水现象进行研究。在界面张力主导重力的太空中，很难凭经验预测由于相变而导致的流体行为和压力波动，包括动态加速环境（例如发动机重新点火期间），并且存在流体设备可能无法操作正常。低温推进剂管理技术旨在解决这些问题，实现推进剂在轨道上的长期储存和运输，是实现目前正在规划的各种载人行星探测的关键技术。然而，缺乏实际尺寸储罐的沸腾试验数据，并且由于尺度（尺寸）的差异，基于低温推进剂热工水力特性的实际尺寸储罐内部现象的定量预测方法难以预测。），计算成本较大，尚未建立。由于通过发射全尺寸测试车辆进行实验观察很困难，因此需要开发一种技术来适当预测地面测试中伴随相变的气液两相热水力特性。因此，针对在轨低温推进剂的管理，我们提出了一种新的相变模型，该模型考虑了动态加速和微重力环境下沸腾气泡的生长，并分析了减压过程中实际尺寸储罐的相变。研究旨在阐明伴随的热流现象。作为今年研究的成果，我们开发了气液界面的相变模型，使得预测大型储罐中伴随相变的热流成为可能。新开发的模型包括以下改进以降低计算成本。如果代表某一点物理性质值的网格较小，则直接使用计算流体计算进行沸腾计算，如果网格较大，则除了计算流体计算外，还可以使用计算流体计算来计算太小而无法捕获的现象亚网格比例模型。在亚网格尺度模型中，我们使用了壁面上的气泡生长模型和不需要壁面以外区域的界面信息的相变模型。