Investigation of Surface Roughness Dependence on Rarefied Aerodynamics based on Hypersonic Rarefied Wind Tunnel Measurement and Molecular Dynamics Simulations

基于高超声速稀薄风洞测量和分子动力学模拟的表面粗糙度对稀薄空气动力学的依赖性研究

基本信息

批准号：
21K04487
负责人：
小澤宇志
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、極超音速希薄風洞実験と粒子数値解析・MD解析を行うことにより、極超音速希薄気体空力現象の計測手法を確立し、物質表面係数及び希薄空力の表面粗さ依存性を評価することによる希薄空力予測精度の向上を目的とする。MD解析によりミクロな視点で表面粗さ依存性現象を解明するとともに、極超音速希薄空力計測(希薄風洞計測と粒子数値解析を融合した手法)によりマクロな表面係数依存性を解明する。さらに、得られたデータを用いてより正確で新しい表面モデルを構築することで、数値解析による希薄空力予測精度を向上させ、大気突入カプセルや超低高度衛星等の軌道制御システムの信頼性の向上を目指すものである。今年度の主な研究の成果を以下に示す。1. 昨年度解析により最適化した透過型チューブ模型を製作し、表面係数の物質依存性・表面粗さ依存性を検証した。拡散反射比が高い解析結果と一致が見られたが、物質・表面粗さ依存性による変化は見られなかった。2. LAMMPS MDコードとナノ材料解析統合GUIソフトを組合せたMD表面反射解析コードを開発し、極超音速希薄風洞環境を模擬して表面凹凸表面における粒子表面衝突システムを構築した。今後は、ポテンシャル依存性を検証していくとともに、表面粗さ・表面加工による影響を検証していく予定である。3. 表面加工による影響評価に向けてDSMC解析コードを拡張した。今後、物質依存性・表面粗さ依存性を数値解析結果と比較検証していくとともに、表面加工が表面係数に与える影響を検証していく。

这项研究旨在建立一种通过进行高超音速气体空气动力学现象的方法，通过进行高血压稀有空气隧道实验，粒子数值分析和MD分析，并通过评估稀释空气动力学的材料表面系数和表面粗糙度依赖性来提高预测稀释空气动力学的准确性。 MD分析将从微观的角度阐明表面粗糙度依赖现象，而宏表面系数依赖性将通过超音速精益空气动力学测量来阐明（这种方法结合了稀释风隧道测量结果与粒子数值分析）。此外，通过使用获得的数据构建更准确和新的表面模型，目的是通过数值分析来提高预测稀释空气动力学的准确性，并提高轨道控制系统（例如大气入侵胶囊和超低海拔卫星）的可靠性。今年的主要研究结果如下：1。我们制造了通过分析优化的可渗透管模型，并检查了表面系数的材料依赖性和表面粗糙度依赖性。尽管具有高弥散反射比的分析结果是一致的，但是由于材料表面的粗糙度依赖性，未观察到变化。 2。我们开发了MD表面反射分析代码，该代码将LAMMPS MD代码与集成的纳米材料分析GUI软件相结合，并通过模拟高音倾斜风隧道环境来在表面不平稳的表面上构建粒子表面碰撞系统。将来，我们计划验证潜在的依赖性，并验证表面粗糙度和表面处理的影响。 3。已扩展了DSMC分析代码以评估表面处理的影响。将来，我们将比较和验证材料依赖性和表面粗糙度依赖性与数值分析的结果，我们还将验证表面处理对表面系数的影响。