回転デトネーションエンジンの動作モード・推力性能予測モデルの構築

旋转爆震发动机工况/推力性能预测模型构建

• 批准号: 21K04476
• 负责人: 石井 一洋
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Yokohama National University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K04476/
• 关键词: 航空宇宙工学; 推進機関; デトネーション; 衝撃波

回転デトネーションエンジン（RDE）は、環状燃焼器の周方向にデトネーションを回転・定在させるものであり、次世代航空宇宙用エンジンとして世界規模で研究開発が活発に行われている。しかしながらRDEの動作モードを支配する普遍的なパラメータは未だ確定しておらず、これは主として燃焼器内における燃料濃度分布が燃焼器毎に異なることに起因している。本研究は、これまでに実施例が無いインジェクター部の燃料濃計測を行うことで、インジェクター性能が推進性能およびRDE動作モードに及ぼす影響を明らかにし、推力・比推力を定量的に予測可能な普遍的物理モデルの構築を行うことを目的としている。本年度は、昨年度に構築したファイバー光学系を用いた赤外レーザー消光法システムを用いて、様々な濃度のメタン－窒素混合気を用意してメタンのモル消光係数を求めた後に、非燃焼時におけるメタン濃度分布計測を行った。得られたメタンの周方向燃料濃度分布は、使用したインジェクター燃料孔の配置と整合しており、全メタン噴射量から、燃焼室内の局所当量比分布を得ることに成功した。さらに、燃焼時におけるメタン濃度計測結果と高速度カメラによる燃焼発光画像の比較より、一時的なメタン供給不足により回転デトネーション波の不安定性が誘起されることがわかった。なお、燃焼時にはレーザーシートの光量不足によりメタン濃度計測可能な空間範囲が狭まったものの、燃焼室内の燃料濃度の成層を確認することができた。また、燃焼室静圧計測と推力計測に基づいた、レイリー流れとファノー流れの組み合わせから構成される1次元流れモデルにより、推力を精度良く予測することに成功した。さらに、Burgers方程式に化学反応による発熱、インジェクターの利得回復および減衰項を加味した修正Madjaモデルを構築した。

旋转爆震发动机（RDE）在环形燃烧室的圆周方向上旋转并维持爆震，作为下一代航空航天发动机，世界各地正在积极研究和开发。然而，控制 RDE 运行模式的通用参数尚未建立，这主要是由于燃烧器内的燃料浓度分布因燃烧器而异。本研究旨在通过测量喷油器部分的燃油浓度来阐明喷油器性能对推进性能和RDE运行模式的影响，这是以前从未做过的，并使得定量预测推力和比冲成为可能。研究的目的是构建物理模型。今年，我们采用红外激光消光法系统，利用去年建成的光纤系统制备了不同浓度的甲烷-氮气混合物，并计算了甲烷浓度分布的测量。获得的甲烷周向燃料浓度分布与所使用的喷射器燃料孔的布置一致，并且我们成功地从总甲烷喷射量获得了燃烧室内的局部当量比分布。此外，通过将燃烧过程中的甲烷浓度测量结果与高速相机拍摄的燃烧发光图像进行比较，发现暂时的甲烷供应短缺会导致旋转爆震波不稳定。尽管由于燃烧过程中激光片的光强度不足，可以测量甲烷浓度的空间范围变窄，但可以确认燃烧室内燃料浓度的分层。此外，他们还基于燃烧室静压测量和推力测量，使用由瑞利流和法诺流组合组成的一维流动模型成功地高精度预测了推力。此外，通过在 Burgers 方程中添加化学反应产生的热量、喷油器增益恢复和衰减项，构建了修改后的 Madja 模型。

项目成果

回転デトネーションエンジン燃焼室内の燃料濃度分布計測

测量旋转爆震发动机燃烧室中的燃料浓度分布

• 发表时间: 2022
• 作者: 川﨑和真;DUONG Dinh Nghia;柴垣朱璃;石井一洋
• 通讯作者: 石井一洋