再突入飛翔体まわりの衝撃層における熱化学非平衡過程と表面触媒現象の統合的モデル化

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本年度は、昨年度までに蓄積された分子動力学計算コードとDSMCコードを融合して、特に窒素分子の内部モード緩和と乖離の連成解析モデルを開発するために一連の解析を行った。窒素分子は内部励起準位が約9000存在するため、準位を個別に考慮した解析的な状態遷移解析は困難であるため、統計的な手法に基づいた直接計算法を採用した。この実現のため、本研究ではDSMC-QCTハイブリッド法を開発した。DSMC-QCTハイブリッドでは、分子の運動をモンテカルロ法で計算する一方で、分子間衝突に関する部分だけをQCT法で取扱う手法である。この手法は、今年度では実現できなかった課題である、表面触媒モデルとの連成を取りこむ上でも有効である。窒素分子の回転/振動準位はRKRポテンシャルに回転の効果を考慮した核間ポテンシャルを用いた量子計算により解析し、このRKRポテンシャルを核間ポテンシャルに、分子間ポテンシャルにBillingの経験式を用いて、QCT法による衝突計算を行なった。DSMC法はBirdのNTC法による。QCT法では遷移における量子力学効果が考慮されていないため、並進温度が低い領域では振動緩和レートが過小評価されることがわかった。遷移におけるこの効果を考慮した補正を行なうことで、実験に良い一致を得ることが出来た。また回転遷移レートに付いても実験値による精度検証を行なった。以上のモデル検証を終えた後、高温域での緩和パラメータを決定するために、並進温度2000〜80000Kの範囲で解析を行なった。その結果、回転緩和モデルについては従来のParkerモデルを補正することで、また振動緩和モデルについては、高温域での緩和は従来考えられているよりもやや速く、一定の衝突断面積をもつ衝突制限モデルを導入することで、約80000Kまで緩和モデルを拡張することができることが確認された。