Vitiated型超音速燃焼風洞流れ場への燃焼生成物の影響

Abstract

数値流体力学(CFD)の手法を用いて、ビシェイテッド(Vitiated)型超音速燃焼風洞における流れ場の補正と検証を行った。CFDの計算によって、高温ビシェイテッドエア流による流れ場を、高温乾燥大気流による流れ場と比較した。その結果、水素を燃料としたビシェイテッドエアの場合は、水蒸気の量がかなり多く、またその比熱も大きいため、流れ場に対して水蒸気が重要な影響を持つことを見出した。高温ビシェイテッドエア用のラバルノズル設計に対する特性曲線法の有効性をCFDで検証した。その結果、適当な比熱比を選択すれば、一定の比熱比での特性曲線法は、水素を燃料とした非平衡のビシェイテッドエア流に対してさえも、妥当な結果を与えることが分った。しかしながら、特性曲線法によりノズル内に均一な流れを得るためには、ノズルスロート周辺の等マッハ線の形状を精密に見積らねばならない。

Computational Fluid Dynamics (CFD) is utilized as a calibration and validation tool for the flowfield in the vitiated-type supersonic combustion wind tunnel. The flowfield due to a vitiated high temperature air flow is compared with that due to a dry atmospheric high temperature air flow by CFD calculations. It is found that water vapor has a significant effect on the flowfield because of its considerable large amount and high specific heat value in the case of hydrogen-fueled vitiated air. Application of the method of characteristics to design Laval nozzle with vitiated high temperature air is validated by CFD, and it is found that the method of characteristics with a constant specific heat ratio provides a reasonable result even for a hydrogen-fueled nonequilibrium vitiated air flow, provided the specific heat ratio is properly selected. However, the shape of iso-Mach lines around the nozzle throat must be precisely estimated to attain a uniform flow in the nozzle with the method of characteristics.