JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2018年4月～2019年3月)

報告書番号: R18JG3104

利用分野: 研究開発

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• 責任者: 沖田耕一, 研究開発部門第四研究ユニット
• 問い合せ先: 宇宙航空研究開発機構研究開発部門第四研究ユニット 佐藤 茂(sato.shigeru@jaxa.jp)
• メンバ: 佐藤 茂, 宗像 利彦, 福井 正明, 高橋 正晴

事業概要

再使用型宇宙推進機関であるスクラムジェットエンジンに就いて, その内部形状がエンジン性能に及ぼす影響をCFD援用にて空気力学的に解明し, 同エンジンの設計に資すること.

角田宇宙センターに蓄積されている豊富なエンジン試験結果からエンジン性能向上に繋がる因子を抽出するためエンジン試験結果と対比するCFDを行い, またエンジン性能向上に繋がるものとして考案されたエンジン形態をCFDで試すこと.

参照URL

「JAXA Repository / AIREX: スクラムジェットエンジン性能向上に関する試み —燃焼状態下の衝撃波」参照.

JSS2利用の理由

角田宇宙センターではスクラムジェットエンジンの研究を進めており, ラムジェットエンジン試験設備(RJTF)を用いてエンジン性能試験を多数重ねて来ている. その過程では, 特に飛行マッハ6条件下ではエンジンの内部形状の一部の違いがエンジン性能に大きな影響を与えることが分かっている.

エンジンの主要素であるインレット, 分離部, ストラット等の内部形状の違いがエンジン性能にどの様に影響するのか, 当角田センターに蓄積されている豊富な実験データに基づき各形態のシミュレーションをCFDにて遂行すると共に, また試験未実施の形態についてもシミュレーションを行っている.

エンジン内部形状の空気力学的効果をCFD援用により追求し, 実験データとの対比を重ね, 空力的効果を体系化し, スクラムジェットエンジンの設計の判断材料を構築する.

今年度の成果

角田宇宙センターに設置されているラムジェット試験設備(RJTF)にてエンジン試験実施済み形態と対比すべく, 改良型のエンジン形態の仮想実験を進めている. この形態は, スクラムエンジン流路の中央に設置される支柱(ストラット)の後縁を絞り込み且つ切り落としたボートテイル形のもので, エンジン試験実施済みのエンジンと基本寸法は同一ながらエンジン推力性能の改善を図ったものである. 図1にエンジンの概要を, 図2には各形態を示す. この両者に就いてエンジン内部諸量の違いを比較した. 比較は3次元燃焼条件にて行い, エンジン内の衝撃波等の影響を調べることで行った.

計算には汎用熱流体解析ソルバFluentを用いた. 最少格子幅はストラット前縁周辺等の0.1mmである. 計算ではエンジン左右中央断面を対称面とする右舷半裁を対象とし, 格子数は503万, 対流項評価の数値流束はAUSM+, 制限関数は二次精度, 時間積分は陽的解法, 乱流モデルはk-ωである. 壁面は断熱壁と仮定した. 気流条件は, 流入マッハ数5.3等RJTFエンジン試験条件に揃えている. 機体下面境界層に相当する設備境界層も込みである. 燃焼計算に関しては, 反応モデルはPetersen and Hansonの論文*)を元に水素-酸素の反応式をFluentに読み込ませたものを用いている. 燃焼モデルはスーパーコンピュータ"JSS2"を用いた. 角田からは遠隔利用である.

図3に燃焼条件下の燃料当量比分布を示す. 図3aに5/5高さストラット形態, 図3bにはボートテイル形ストラット形態を示す. 何れもエンジン出口における値を等高線で示したものである. 5/5高さストラット形態では全体的傾向は把握できているが, 計算値において両側板の天板寄りに当量比が高く張り出した位置が有り, 計測値よりも高い値となっている. 一方, ボートテイル形ストラット形態では5/5高さストラット形態よりも当量比の拡散が進んでおり, 当量比1. 0を超える領域は少ない. この両者の比較で言えば, ボートテイル形ストラット形態の方は相対的に燃料をエンジン断面内に広げる効果を有していることが確認できる.

図4では上記に対比し燃焼効率分布を示す. 図4aに5/5高さストラット形態, 図4bにはボートテイル形ストラット形態を示す. 何れもエンジン出口における値を等高線で示したものである. 5/5高さストラット形態を計測値と対比すると, エンジン断面中程で当量比が0. 8を下回る所が生じており, 計測値を再現し切れていないことが分かる. 一方, ボートテイル形ストラット形態では5/5高さストラット形態よりも当量比の拡散が進んだこともあり, 全体的に均された高効率分布となっている. CFDの比較からすれば, このボートテイル形ストラット形態の方が高性能となり得る.

今後とも, 計算精度の向上を図りつつCFDによる検討を進め, 推力発生の源泉を見極める必要が有る. その源泉を見極めることでエンジンの性能確保の方法論を立てることが可能となる.

*)Petersen, E.L. and Hanson, R.K., Journal of Propulsion & Power, Vol. 15, No. 4, July-August 1999.

図1: 供試体エンジンの概要 試験台には天地逆に設置, 5/5高さストラット装備した姿

図2: CFD比較向けストラット二形態 a)5/5高さストラット形態は試験済み形態, b)ボートテイル形ストラット形態は改良型仮想形態(単位:mm)

図3: 燃焼条件における当量比φ分布の計算値

図4: 燃焼条件における燃焼効率η分布の計算値

成果の公表

-査読なし論文

1)佐藤 茂, 福井正明, 宗像利彦, 渡邉孝宏, 髙橋正晴, スクラムジェットエンジン性能向上に関する試み―燃焼状態の再現, 第50回流体力学講演会/第36回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム(平成30年7月宮崎)論文集, 宇宙航空技術研究開発機構特別資料, JAXA-SP-18-005, 2019年2月

-口頭発表

1)佐藤 茂, 福井正明, 宗像利彦, 渡邉孝宏, 髙橋正晴, スクラムジェットエンジン性能向上に関する試み―燃焼状態の再現, 第50回流体力学講演会/第36回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム, 平成30年7月宮崎

2)佐藤 茂, 福井正明, 宗像利彦, 渡邉孝宏, 髙橋正晴, スクラムジェットエンジン内の燃焼―衝撃波と燃料当量比分布, 平成30年度衝撃波シンポジウム, 平成31年3月横浜

3)髙橋英美, 宗像利彦, 佐藤 茂, 様々な飛行条件下における極超音速機外部ノズルの性能評価, 日本航空宇宙学会北部支部2019年講演会及び第20回再使用型宇宙推進系シンポジウム, 平成31年3月, 角田

JSS2利用状況

計算情報

• プロセス並列手法: 熱流体解析汎用ソフトFLUENT内部の並列処理に依拠
• スレッド並列手法: 熱流体解析汎用ソフトFLUENT内部の並列処理に依拠
• プロセス並列数: 4 - 8
• 1ケースあたりの経過時間: 720 時間

利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 0.00

内訳

JSS2のシステム構成や主要な仕様は、JSS2のシステム構成をご覧下さい。

※1 総資源に占める利用割合：3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2018年4月～2019年3月)