ロケット推進・エンジン革新研究(振動燃焼・DBノズル)
JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)
報告書番号: R16J0078
- 責任者: 沖田 耕一(研究開発部門 第四研究ユニット)
- 問い合わせ先: 高橋 政浩(takahashi.masahiro@jaxa.jp)
- メンバ: 高橋政浩, 木村俊哉, 後藤公成, 長田敦, 田中智之, 福井正明, 宗像利彦, 高橋正晴
- 利用分類: 宇宙分野(ロケットエンジン)
概要
現在開発中のH3ロケットや将来の宇宙輸送システム等に用いられるロケットエンジンの開発に共通して必要となる技術課題を選び出し, 未解明な現象を明らかにすることや, 新しい計測技術や評価手法, 設計技術を実用化することでそれらの解決を図り, より信頼性の高いロケットエンジンの実現に貢献する.
目的
H3ロケットおよび将来の1段再使用型宇宙輸送システム等に用いられるロケットエンジンの高信頼性化のため, 設計技術の高度化や新規技術の提案を行う.
目標
H3ロケットおよび将来宇宙輸送システム等に用いられるロケットエンジンの開発に共通して必要となる基盤技術(ターボポンプ設計余裕の確保, 推進システム連成振動や燃焼振動の解決, 信頼性向上・低コスト化のための材料開発, 等)に重点化して, 現象の本質的解明や評価手法・設計技術の高度化を図る.
参照URL
なし
スパコンの用途
デュアルベルノズルは, ロケットエンジンの比推力性能向上に寄与する技術として期待されている. 低膨張比モードから高膨張比モードへのノズル作動点遷移条件の予測技術確立が設計上の課題であり, CFDによる作動点遷移予測技術を獲得するため, サブスケール燃焼実験に対応したCFDを行い, その予測精度を検証した.
また, 燃焼振動の現象理解の一環として, 噴射器エレメント単体試験を対象にCFDを行い, 噴射器出口より上流の推進剤供給系流路内で生じる擾乱が燃焼器内の燃焼特性に及ぼす影響について検討を試みた.
スパコンの必要性
デュアルベルノズルの実機スケール燃焼実験は, 設備面やコスト面で実現困難である. また, 大規模剥離や強い衝撃波を伴う複雑な流れ場であるため簡易解析モデルによる予測が困難である. そのため, スパコンを用いたCFDにより遷移を伴う流れ場を精度よく再現する必要である.
ロケットエンジンの推進剤供給系流路内は, 高圧, 極低温かつ小スケールであり実験計測可能な項目が限られるため, 詳細解明にはCFDによる流れ場の再現が必要であるが, 極低温推進剤の高圧燃焼という複雑かつ極限的な物理現象を含むため計算負荷が高く, スパコンが必要となる.
今年度の成果
DLR-JAXA共研で実施されたデュアルベルノズルのLOX-CH4サブスケール燃焼実験に対し, 簡素化反応機構を用いた燃焼CFDを実施し, 作動点遷移条件(遷移NPR)の予測結果を実験結果との比較により検証した. 当初, CFDと実験で遷移条件の十分な一致が得られなかったが, 圧縮性の影響を考慮した乱流モデルの適用により代表条件でよい一致を得た. また, 酸化剤と燃料の混合比(O/F)に対する遷移NPRの変化傾向がCFDと実験とで若干異なったが, 異なる簡素化反応機構や壁温条件を用いたCFDを実施してそれらの影響を評価し, 一致度に一定の改善を得た. (Fig.1とFig.2を参照)
燃焼振動の現象理解の一環として, 噴射器エレメント単体試験を対象に, 極低温推進剤の供給系流路内で生じる擾乱が燃焼器内の燃焼特性に及ぼす影響についてCFDによる評価を試みた. 計算途中で, 未燃の極低温推進剤と高温燃焼ガスの界面付近において数値的不安定が顕著となり, 計算続行が困難な状況になったため, その原因究明と対策検討を行った. (Fig.3を参照)
Fig.1:デュアルベルノズル作動点遷移前後の等マッハ数線図
Fig.2:遷移ノズル圧力比(NPR)とO/Fの関係
Fig.3:対称面の温度分布
成果の公表
口頭発表
1)高橋ら, 「デュアルベルノズル・サブスケール燃焼試験における作動点遷移予測について」第34回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 2016. (論文集:JAXA-SP-16-007)
2)冨田ら, 「デュアルベルノズル作動状態遷移への燃焼ガスの影響」第57回航空原動機・宇宙推進講演会, 2017.
計算情報
Dual-bell
- 並列化手法: スレッド並列
- プロセス並列手法: 非該当
- スレッド並列手法: OpenMP
- プロセス並列数: 1
- プロセスあたりのスレッド数: 16
- 使用ノード数: 1
- 1ケースあたりの経過時間(時間): 100
- 実行ケース数: 30
噴射器
- 並列化手法: プロセス並列
- プロセス並列手法: MPI
- スレッド並列手法: 非該当
- プロセス並列数: 3200
- プロセスあたりのスレッド数: 1
- 使用ノード数: 100
- 1ケースあたりの経過時間(時間): 200
- 実行ケース数: 2
利用量
総仮想利用経費(円): 3,963,250
内訳
| 計算システム名 | コア時間(コア･h) | 仮想利用経費(円) |
|---|---|---|
| SORA-MA | 2,882,434.73 | 3,848,342 |
| SORA-PP | 64.79 | 553 |
| SORA-LM | 0.00 | 0 |
| SORA-TPP | 0.00 | 0 |
| ファイルシステム名 | ストレージ割当量(GiB) | 仮想利用経費(円) |
|---|---|---|
| /home | 90.08 | 849 |
| /data | 2,614.34 | 24,661 |
| /ltmp | 9,114.59 | 85,978 |
| アーカイバシステム名 | 利用量(TiB) | 仮想利用経費(円) |
|---|---|---|
| J-SPACE | 0.93 | 2,865 |
注記: 仮想利用経費=2016年度設備貸付費用の単価を用いて算出した場合の経費
JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2016年4月～2017年3月)