ISAS 1MW アーク加熱風洞における アーク加熱気流


ISAS 1MW アーク加熱風洞における
アーク加熱気流について
高橋裕介（北海道大学・工学研究院）
松永学（北海道大学・工学院）
山田和彦（JAXA/ISAS）
下田孝幸（JAXA/ISAS）
1
平成27年度衝撃波シンポジウム 熊本大学 熊本市
2016/03/07
Contents
• 1MWアーク加熱風洞
• 気流診断技術
• 実験結果
• 研究の動機と目的
• 数値解析結果
• 結論
2
1MW アーク加熱風洞
アークヒータ
Anode
Inlet
Constrictor
Cathode
Throat
Nozzle
• 加熱方式：セグメント型
• 構成：コンストリクタ、両極チャンバー、スロート、ノズル
• 運転条件(現行)：電流450 A, 流入質量18 g/s (チャンバー圧
5.0 kgf/cm2)、4 packsセグメント
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気流診断手法
• 実験的手法
• ピトー圧・熱流束測定
• 発光分光測定による温度同定
• レーザー誘起蛍光法
• 計算科学的手法
• NOZNT (Park, 1995)
• ARCFLO series (Kim 2000, Sakai 2007, Lee 2007)
• Arcflow/Arcwave (Takahashi 2014)..
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気流診断手法
• 実験的手法
• ピトー圧・熱流束測定
• 発光分光測定による温度同定
• レーザー誘起蛍光法
• 計算科学的手法
• NOZNT (Park, 1995)
• ARCFLO series (Kim 2000, Sakai 2007, Lee 2007)
• Arcflow/Arcwave (Takahashi 2014)..
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実験による計測：熱流束・ピトー圧
熱流束プロファイル
6
ピトー圧プロファイル
実験による計測：発光分光測定
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気流診断手法
• 実験的手法
• ピトー圧・熱流束測定
• 発光分光測定による温度同定
• レーザー誘起蛍光法
• 計算科学的手法
• NOZNT (Park, 1995)
• ARCFLO series (Kim 2000, Sakai 2007, Lee 2007)
• Arcflow/Arcwave (Takahashi 2014)..
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研究の動機と目的
• ノズル自由流の流れ諸量分布は十分にはわかっていない
• 数値解析的アプローチを用いて1MWアーク加熱気流の気流
分布を明らかにする
• 目標：アーク加熱気流の流れ諸量分布の提供の用意
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数値解析手法（要約）
Software package
Arcflow/Arcwave ver.0.20*
Gas model
Real gas (Air)
Chemical model
Finite rate (Park model)
Temperature model
4-temperature: 並進・回転・振動，電子温度に分離
Transport properties
Yos s model based on Chapman-Enskog approximation
Discretization
Cell-centered finite volume method
Numerical fluxes
Convection term: SLAU, slope limiter for MUSCL: minmod
Time-marching method
Viscous term: 2nd order central difference scheme
Implicit method (Euler Implicit)
Joule-heating rate
Matrix solver: LU-SGS
with Point
tightly-coupled
with Electric
field implicit
equation (coefficient matrix
inversion by GMRES
Radiation heat flux
3-band radiation model
Turbulence model
AKN model (low-Re k-eps. turbulence model)
Parallel computing
OpenMP
Time step
Local (CFL fixed)
10
Y. Takahashi et al, Turbulence and radiation behaviours in
large-scale arc heaters , Journal of Physics D: Applied Physics,
Institute of Physics, Vol.44, No. 8, 2011, 085203 (19pp).
アーク加熱風洞：計算格子・境界条件
Constrictor
Anode
(V=V0)
Inlet (mass flow rate,
total temp.)
Nozzle
Cathode
(V=0)
Outlet,
Nozzle exit
壁面条件：輻射平衡(ただしmax 1000K)、すべりなし、非触媒性
Axisymmetric
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アーク加熱風洞：解析結果と実験結果の比較
Input parameter
Experiment
Numerical simulation
Input current, A
450
450
Mass flow rate, g/s
18.5
18.0
Experiment
Numerical simulation
Arc voltage, V
1434.6
865
Chamber pressure, Pa
4.90x105 (5.0 kgf/cm2) 5.67x105
Output parameter
Mass-averaged enthalpy*,
MJ/kg
12
16
T. Yamadai et al, Arc Heating Facility and Test Technique for
Planetary Entry Missions , ISAS Report SP No.17, 2003
17.6
アーク加熱風洞：ノズル出口における半径方向分布
温度・エンタルピー分布
13
モル分率分布
プローブ解析：計算格子・境界条件
Ambient
(圧力固定:10Pa,
温度固定:300K)
Inlet
(arc-heater解析より与える)
14
Outlet
(流出条件)
Wall
(すべりなし，壁面温
度800K，触媒性壁)
プローブ解析：表面触媒性
•
解析において触媒性壁を考慮
•
非触媒（NCW）
•
有限触媒（FiCW）：以下式で評価
ksCs = Ds
∂Cs
∂x
where, ks = γ s
•
15
kTw
π ms
γ=0, 0.1, 1.0で解析を行った（γ=1.0のときを完全触媒FCWとする）
プローブ解析：解析値と実験値の比較
熱流束プロファイル
16
ピトー圧プロファイル
プローブ解析(ノズル下流50mm)
Heat flux, W/m2
1.8E+07
50000
CHF(NCW:gamma=0)
CHF(FiCW:gamma=0.1)
CHF(FiCW:gamma=1.0)
1.6E+07
45000
40000
1.4E+07
35000
Pressure, Pa
1.2E+07
1E+07
8E+06
6E+06
20000
10000
2E+06
5000
0
2
4
6
8
10
12
Radial position, mm
熱流束の半径方向プロファイル
17
25000
15000
4E+06
0
30000
0
0
2
4
6
8
10
Radial position, mm
圧力の半径方向プロファイル
12
ノズル自由流の回転温度の比較
gamma(0,1)
gamma(0,2)
• 実験から推察され
る回転温度：
Trot=1450 200 K
• 数値解析結果：
• Ttrs=1789 K
• Trot=1987 K
• Tvib=4462 K
• Tele=4492 K
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結論
• アーク加熱気流の諸量分布を計算科学的手法を用いて取得
• 実験データを用いて解析モデルの妥当性評価も実施
• 触媒性再結合係数の不確かさは残るが、熱流束とピトー圧は
よく再現できている
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謝辞
• 本分光測定結果は、宇宙航空研究開発機構宇宙科学研究所惑星大
気突入環境模擬装置を用いて得られた。
• 本解析を行うにあたって、九州大学情報基盤研究開発センターの
研究用計算機システム(HITACHI HA8000-tc/HT210, FUJITSU
PRIMERGY CX 400)、北海道大学情報基盤センタークラウドシス
テム（HITACHI BladeSymphony BS2000）を利用した。
20
Appendix
• Flat-face probe(D=25mm)の熱流束・ピトー圧の分布
• 自由流の分布
21
プローブ解析(ノズル下流25mm)
Heat flux, W/m2
2.4E+07
120000
CHF(NCW:gamma=0)
CHF(FiCW:gamma=0.1)
CHF(FiCW:gamma=1.0)
2.2E+07
2E+07
100000
1.8E+07
Pressure, Pa
1.6E+07
1.4E+07
1.2E+07
1E+07
8E+06
80000
60000
40000
6E+06
4E+06
20000
2E+06
0
0
2
4
6
8
10
12
Radial position, mm
熱流束の半径方向プロファイル
22
0
0
2
4
6
8
10
Radial position, mm
圧力の半径方向プロファイル
12
プローブ解析(ノズル下流65mm)
熱流束の半径方向プロファイル
23
圧力の半径方向プロファイル
プローブ解析(ノズル下流80mm)
Heat flux, W/m2
1.2E+07
20000
CHF(NCW:gamma=0)
CHF(FiCW:gamma=0.1)
CHF(FiCW:gamma=1.0)
1E+07
18000
16000
14000
Pressure, Pa
8E+06
6E+06
4E+06
12000
10000
8000
6000
4000
2E+06
2000
0
0
2
4
6
8
10
12
Radial position, mm
熱流束の半径方向プロファイル
24
0
0
2
4
6
8
10
Radial position, mm
圧力の半径方向プロファイル
12
プローブ解析(ノズル下流100mm)
Heat flux, W/m2
8E+06
12000
CHF(NCW:gamma=0)
CHF(FiCW:gamma=0.1)
CHF(FiCW:gamma=1.0)
10000
6E+06
Pressure, Pa
8000
4E+06
6000
4000
2E+06
2000
0
0
2
4
6
8
10
12
Radial position, mm
熱流束の半径方向プロファイル
25
0
0
2
4
6
8
10
Radial position, mm
圧力の半径方向プロファイル
12
ノズル自由流の解析
• 左図に示す３つの位置
(x=25, 50, 80mm)の
気流プロファイルを取
得
26
ノズル自由流(ノズル出口下流25mm)
27
温度
モル分率
圧力
マッハ数
速度
ノズル自由流(ノズル出口下流50mm)
28
温度
モル分率
圧力
マッハ数
速度
ノズル自由流(ノズル出口下流80mm)
29
温度
モル分率
圧力
マッハ数
速度