Elucidation of large-scale structure of sonic boom based on fast full-field CFD using space marching method

基于空间行进法的快速全场CFD解析音爆大尺度结构

基本信息

批准号：
21K14349
负责人：
山下礼
金额：
$ 2.75万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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

超音速機から発生するソニックブームは、準１次元音響解析で評価されてきたが、その適用範囲は衝撃波が回折する前までに限定されている。本研究の目的は、空間進行法を用いた全空間・高速シミュレーション法を構築し、ソニックブームが回折して消失するまでの3次元空間内での挙動を明らかにすることである。本年度の成果は以下の通りである。１）昨年度構築した全空間・高速シミュレーション法の解析精度を検証するため、AIAA Sonic Boom Prediction Workshopで使用された3次元機体まわりの流体解析を実施した。衝撃波が回折する直前までの解析結果は、workshopの結果とよく一致し、これまで困難であった実機形状・実飛行条件での高速・高精度計算が実施できることを確認した。しかし、流れ場が大きく変動する領域では、衝撃波に沿った適合格子が歪み、斜め下方に伝播する衝撃波の回折現象（横方向カットオフ）は正確に評価できなかった。２）代替手段として、直交格子ベースの計算手法を構築し、横方向カットオフの調査を行った。その結果、飛行マッハ数が低く、カットオフの位置が機体直下に近い場合、入射波と回折波が地上で干渉し、衝撃波が集積する。一方、飛行マッハ数が高く、カットオフの位置が機体直下から離れた場合、地上では衝撃波が集積せず、上空のみで集積することが分かった。また、地面効果により、回折波や回折領域を透過する波の形状、及び減衰特性が変化することも明らかにした。３）直交格子の場合計算コストが高く、横方向カットオフの調査は非効率であった。研究の効率化を図るため、機体直下で起きる衝撃波の回折現象（マッハカットオフ）の2次元解析も実施した。その結果、横方向カットオフと同様に、地面効果により回折波や透過波の形状が変化し、大気温度の逆転層ではカットオフが繰り返し発生することが分かった。

已在准二维声学分析中评估了由超音速飞机产生的声音动荡，但是直到冲击波衍射之前，其应用范围是限制的。这项研究的目的是使用空间进程方法构建全空间，高速模拟方法，并阐明在三维空间内的行为，直到声音动臂衍射并消失。今年的结果如下：1）为了验证去年构建的全空间高速模拟方法的分析准确性，对AIAA Sonic Boom预测研讨会中使用的三维飞机进行了流体分析。在冲击波衍射与研讨会的结果相匹配之前，分析结果直到符合研讨会的结果，证实可以在实际机器的形状和实际飞行条件下进行高速和高精度计算，这一直很困难。但是，在流场大大变化的区域中，无法准确评估冲击波向下传播的冲击波传播的衍射现象（侧向截止）。 2）作为替代方案，构建了基于正交晶格的计算方法，并研究了横向截止。结果，如果飞行马赫的数量较低并且截止位置靠近平面，则入射波和衍射波将在地面上干扰，从而导致冲击波积聚。另一方面，发现如果飞行器的数量很高，并且截止位置远离飞机下方，则冲击波不会在地面上积聚，而仅在空气中积聚。还发现地面效应改变了穿过衍射区域的衍射波和波的形状，以及衰减特征。 3）正交晶格的计算成本很高，横向截止调查效率低下。为了提高研究效率，我们还对直接在机身下方发生的冲击波的衍射现象（MACH截止）进行了二维分析。结果，发现与横向截止相似，衍射波的形状和由于地面效应而引起的波动变化，并且该截止在大气温度下在倒置的层中反复出现。