ロケットエンジンの数値計算結果と実験データを定量的に比較できる手法を開発 東北大学とドイツ航空宇宙センター

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東北大学は2021年8月24日、同大学流体科学研究所エネルギー動態研究分野の森井雄飛助教とドイツ航空宇宙センター(DLR)が共同で、ロケットエンジンの数値計算結果と実験データを定量的に比較できる手法「SMART」を開発したと発表した。

ロケットエンジンの開発初期段階において課題となる燃焼振動に関しては、発生条件や抑制方法がこれまで明らかになっていなかった。燃焼振動の解明に当たっては、数値計算に用いるモデルを改良する必要があるため、同モデルと実験との定量的な比較を可能にする手法の開発が求められている。

今回開発した手法「Spectral Model and Ray-Tracing(SMART)」は、数値計算で得たOH*発光に関わる結果と実験で得られたOH*発光との定量的な比較を可能としている。OH*発光は、実験により比較的容易にデータを得られるもので、火炎の位置を特定する方法として用いられている。

SMARTでは、逆光線追跡により光線の経路を求め、同経路上の熱力学的特性を抽出することで、対象となる波長域の発光/吸収スペクトルを計算する。次に、放射伝達方程式を解くことでスペクトル放射輝度を算出し、積分することで全放射輝度を算出する。

同研究チームは、ドイツ航空宇宙センターで実施したロケットエンジンのサブスケール試験の結果と、それをシミュレートした数値計算にSMARTを適用した結果を比較し、OH*発光を定量的に比較できたことを確認した。従来では、火炎位置の定性的な比較のみが可能であった。

冒頭の画像は、(a)が実験で得られた結果、(b)が数値計算結果に従来法を適用した結果、(c)が数値計算結果にSMARTを適用した結果を示している。従来法を適用した(b)と比較して、SMARTを適用した(c)の数値計算結果の実験再現性が向上していることが分かる。

今回の手法を用いることで、今後は数値計算モデルの中でも重要となる化学反応モデルの高精度化にも繋がることが期待される。

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