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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。

Supersonic engines generate shock waves, and quasi-dimensional acoustic analysis is used to evaluate and limit the impact of shock waves. The purpose of this study is to construct a three-dimensional space with a three-dimensional spatial method, a high-speed spatial method, and a three-dimensional spatial method. The results of this year are as follows: 1) The AIAA Sonic Boom Prediction Workshop is used to implement the fluid analysis of the three-dimensional body. The analytical results of the shock wave are consistent with the results of the workshop, and the results of the workshop are difficult to determine. The shape of the aircraft, the high speed of the flight conditions, and the high accuracy of the calculation are confirmed. The shock wave is reflected along the appropriate lattice, obliquely below the flow field, and correctly evaluated in the horizontal direction. 2) The calculation method of substitution means and orthogonal lattice is constructed and investigated in horizontal direction. As a result, the number of flights is low, the position of the flight is low, the incident wave is high, and the shock wave is concentrated. A side, the number of flights is high, the position is straight down, the ground shock wave is concentrated, and the air shock wave is concentrated. The shape and attenuation characteristics of the reflected waves and reflected fields are changed. 3) In the case of orthogonal lattice calculation, the investigation of high and horizontal directions is not effective. Study on the effect of shock wave deflection phenomenon in the vertical direction of the body and its two-dimensional analysis As a result, the horizontal direction is the same, the ground effect is the shape of the reflected wave and the transmitted wave is changed, and the temperature of the inverse layer is changed.