研究テーマ

 液体ロケットエンジンは,高圧力のもとで極低温の推進剤を噴射し,これを混合・燃焼させることで推力を得ます.液体エンジンの特徴として,圧力が超臨界圧力と呼ばれる高圧にまで達することが挙げられます.超臨界・極低温における流体は液体のような高密度と気体のような高拡散性をもつなど,その流れ場はユニークなふるまいを見せますが,実験が困難であることもあり,このような環境における噴流や混合に対する知見は十分ではありません.これに対し,流体の数値シミュレーションにより,流れの詳細で鮮やかな情報を得ることで基礎的な物理現象を理解することが期待されています.本研究室では,このような超臨界・極低温における噴流の数値シミュレーションを行い,噴流のダイナミクスや混合について理解することを目的としています.これまで,液体ロケットエンジン噴射器を模した超臨界の同軸噴流に対して,スーパーコンピュータによる大規模数値シミュレーションを実施し,噴流の渦構造などを可視化するとともに,噴射器出口形状が噴流の挙動と混合に与える効果を明らかにしてきています.また,液体ロケットエンジンのミキサーと呼ばれる部分では,流れに対して低温の水素が垂直に噴射され混合しますが,このような主流と干渉する噴流における混合を調べています.

液体ロケットエンジン内部の
分子動力学シミュレーション

 水素と酸素を推進剤とする液体ロケットエンジンの燃焼は推進剤の噴流状態に大きく影響されるため，数値シミュレーションによる噴流状態の解析が非燃焼状態も含めて行われています．現在，エンジンの燃焼室内部を対象にした数値シミュレーションでは，多成分系の状態量予測のために，単成分系の状態方程式と古典的混合則が併用されています．単成分系の状態方程式の精度検証は進んでいますが，水素－酸素混合系の実験データ不足により古典的混合則の精度検証は十分になされていません． そこで本研究では，水素－酸素混合系の仮想モデルに対して，数値実験的手法である分子シミュレーションを行い古典的混合則の精度検証をしています．