様々な加速度環境における自由表面流の動的挙動予測と極抵温流体の貯蔵性評価

各种加速环境下自由表面流动态行为的预测以及低温流体储存特性的评估

基本信息

批准号：
17760636
负责人：
姫野武洋
金额：
$ 2.24万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究では、様々な加速度環境で貯蔵容器内部の液体を望ましい位置に保持し、思い通りに搬送する"流体管理技術"の確立へ向け、主として宇宙機の推進薬タンク内部の自由表面流を対象とし、その熱流動特性を実験と数値解析により調べた。実験では、宇宙機における動的な加速度環境を模擬するために、加振装置とアクリル製の供試体容器を設計製作した。本年度は、光の屈折を利用して液面の微小変形を非接触で検出し、液体揺動(スロッシング)の減衰率を取得する独自手法を用い、供試液体の液位、印加する加速度、容器形状および内部装備品形状を変化させた場合について、液体揺動の減衰率を計測し、本手法が高精度かっ短時間のうちに減衰率を評価できることを確認した。数値解析については、申請者らが開発している自由表面流解法(CIP-LSM)を用い、加振実験と対応する計算を行って比較することにより、数値解が液体揺動のモードと固有振動数を適切に再現できること、ならびに、大振幅加振を与えて砕波を生じさせた場合についても、液面形状を精度良く模擬できることが確認された。さらに、気液界面で体積変化を考慮できる相変化モデルを考案し、上記の自由表面流解法に実装した。続いて、熱入力に伴って成長する気泡を模擬し、モデルが現象を適切に模擬できることを確認した。更に、熱流動と液面揺動が連成する問題に関して、密閉容器内部で発生する液面揺動に伴う界面熱伝達の促進が、気相の収縮・膨張を通じて容器内部の圧力急変の原因になることを計算で再現した。

在这项研究中，我们主要关注航天器推进剂箱内的自由表面流动，旨在建立一种“流体管理技术”，使储存容器内的液体保持在所需的位置，并在各种加速环境下按需要输送。，并通过实验和数值分析研究了其热工性能。实验中设计制作了激励装置和亚克力标本容器来模拟航天器的动态加速环境。今年，我们采用了一种独特的方法，利用光折射非接触地检测液体表面的微小变形，并获得液体晃动的衰减率。我们测量了改变容器和内部设备的形状时液体波动的衰减率，并证实该方法能够在短时间内高精度地评估衰减率。关于数值分析，我们使用了申请人开发的自由表面流法（CIP-LSM），并进行了振动实验和相应的计算，并进行了比较，确认了可以适当地再现振动频率，并且确认了形状。即使采用大振幅激励引起波浪破碎，也能准确模拟液面。此外，我们设计了一个可以考虑气液界面体积变化的相变模型，并在上述自由表面流求解方法中实现。接下来，他们模拟了随着热量输入而增长的气泡，确认该模型可以充分模拟这种现象。此外，关于热流和液位波动的耦合问题，已经发现，密闭容器内发生的伴随着液位波动的界面传热的加速，通过气体的收缩和膨胀导致容器内的压力突然变化。我计算了会发生什么并重现它。