複雑系流動システム研究分野

複雑系流動研究部門

Complex Flow Division

複雑系流動システム研究分野

Complex Flow Systems Laboratory

(兼)教 授
圓山 重直
Concurrent Professor
Shigenao
Maruyama
准教授
伊賀 由佳
Associate Professor
Yuka
Iga

当研究分野では、多重場における複雑連成系の流動現象の解明と、それを応用した次世代流体システムの高効率・高信頼性化を目指した研究を行っています。複雑連成系として、キャビテーション、混相流動現象、乱流現象、界面不安定、システム不安定、流体と材料の連成、極低温流動、水蒸気爆発など、様々な複雑非線形現象を数値シミュレーションおよび実験により研究しています。

In our laboratory, we are studying flow phenomena in complex coupled systems in an effort to acquire the high efficiency and reliability of next-generation fluid systems. The various nonlinear phenomena are investigated by numerical and experimental analyses, which are in complex coupled system such as cavitation, multiphase flow, turbulent flow, interface instability, system instability, fluid / material coupling, cryogenic fluid, vapor explosion and so on.

液体ロケットターボポンプに発生するキャビテーション不安定現象の研究
Study of Cavitation Instabilities in Liquid Propellant Rocket Turbopump

液体ロケットエンジン・ターボポンプインデューサではキャビテーション不安定現象と呼ばれる振動現象が発生することがあります。これは、推進剤流量の異常振動や回転非同期の軸振動、ポンプ性能の低下を引き起こし、さらには実際に重大事故の原因となった例も報告されています。研究室では、このキャビテーション不安定現象の数値予測、抑制・制御手法の開発、発生メカニズムの解明などをスーパーコンピューティングを用いた数値解析により行っています。

In an inducer, which is an axial-flow pump installed at the inlet of a turbopump in a liquid-propellant rocket engine, the unstable oscillation of the turbopump is sometimes caused by unsteady cavitation. This phenomenon called cavitation instabilities is accompanied by pulsation of propellant liquid, asynchronous axial vibration and decline of pump efficiency, and rarely causes serious accident. In our laboratory, study of numerical prediction, development of suppression technique and clarification of occurrence mechanism of cavitation instabilities is performed by numerical simulation using a supercomputer.

キャビテーション数値解析モデルの高度化
Advancement of Cavitation Model in CFD

キャビテーションは,気泡の合体・分裂,膨張・収縮,蒸発・凝縮,相非平衡,マイクロジェット,カウンタージェット,気液スリップ,動的固気液接触,界面不安定,はく離,渦,乱流,リエントラントジェットなど,数多くの流体/流動因子が複雑に連成する流動現象です.キャビテーションのCFD(数値シミュレーション)の分野では,これまでにいくつかのモデルや解析手法が開発され,最近ではそれらを実装した汎用ソフトウェアも手に入るようになってきました.しかし,最も単純な流れ場と言える単独翼まわりのキャビテーション流れであっても,特に高迎角の遷移キャビテーション状態では,時間平均揚力すら予測できないのが現状です.キャビテーション流れの予測精度の向上はCFDの分野に残された課題であり,本研究室でも,キャビテーションモデルの改良に取り組んでいます。

Cavitation is complex flow phenomenon including various fluid and flow factors; bubble coalescence/splitting, evaporation/condensation, phase non-equilibrium, micro jet, counter jet, slip velocity, dynamic contact angle of solid-liquid-gas, surface instability, separation, vortex, turbulence, re-entrant jet, and so on. In these days, several cavitation models and the numerical method have been developed and several commercial CFD software has been put on a market. But the prediction accuracy is not so high, for example, time averaged lift of a single foil is unable even to predict in transient cavitation condition in higher angle of attack condition. Therefore, the advancement of prediction accuracy of cavitation is a remaining problem in the research field of CFD, and also in this laboratory, the cavitation model is attempt to be modified.

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