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全空間シミュレーションによる極超音速ソニックブームの伝播特性解明

通过全空间模拟阐明高超音速音爆的传播特性

基本信息

批准号：
15J06433
负责人：
山下礼
金额：
$ 1.24万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2015
资助国家：
日本
起止时间：
2015-04-24 至 2017-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15J06433/
关键词：
ソニックブーム数値流体力学極超音速分子振動緩和衝撃波

项目摘要

本研究の目的は、高高空で発生した衝撃波を地上までCFD解析する手法（全空間シミュレーション法）に分子振動緩和効果を組み込むことで、ソニックブームの立ち上がり時間の予測を可能にし、極超音速飛行体から発生したソニックブームの伝播特性を解明することである。本年度は、以下の2点に取り組んだ。１、分子振動緩和効果が波形に及ぼす影響酸素、窒素、水の3化学種間で起こる振動‐振動エネルギー交換反応の影響を調査した。その結果、振動緩和時間が長い場合、振動‐振動エネルギー交換反応により、励起が遅い分子の振動エネルギーが速く励起されるようになり、圧力波形の形状も変化することが分かった。一方、振動緩和時間が短い場合、全ての分子の並進‐振動エネルギー交換反応が速く起きるため、振動‐振動エネルギー交換反応の影響は小さいことが分かった。また、これまでは細長い軸対称回転体を対象に解析を実施してきたため、強い離脱衝撃波が発生する球体に対しても解析を実施した。その結果、離脱衝撃波の場合、波を急峻化する非線形効果が強いため、衝撃波が遠方まで伝播して十分に弱くなるまで、立ち上がり時間は形成されないことが分かった。２、全空間シミュレーションの適用範囲の拡張当初の予定よりも早く研究が進展したため、本研究をさらに発展させるための研究にも着手した。これまで構築してきた全空間シミュレーション法は、構造格子を使うことが前提となっており、3 次元形状機体に適用することができなかった。この問題を改善するため、物理量の変動が大きい領域で自動的に格子を細分化できる解適合格子法の導入に向けた調査を行った。具体的には、解適合格子法による解析を専門に扱っているケンブリッジ大学のNikiforakis博士の研究室を訪問し、解適合格子上で層状大気を考慮するための手法を調査した。

The purpose of this study is to investigate the mechanism of molecular vibration mitigation by CFD analysis of shock waves generated at high altitudes (full space CFD method), and to investigate the possible prediction of time and propagation characteristics of hypersonic vehicles. This year, the following two points are selected. 1. Investigation on the effect of molecular vibration attenuation on the interaction between three chemical species: acid, phosphorus and water As a result, when the vibration relaxation time is long, the vibration-vibration cycle is reversed, the excitation-molecular vibration cycle is accelerated, and the shape of the pressure waveform is changed. In one case, the vibration relaxation time is short, and the influence of the vibration exchange reaction is small. The analysis of the long and narrow axis of the shock wave is carried out As a result, when the shock wave is separated, the wave is accelerated, the nonlinear effect is strong, the shock wave is far away, the propagation is very weak, and the time is formed. 2. The application scope of the whole space is determined by the early research progress, and the research progress is started today. The structure of the whole space is based on the premise that the three-dimensional shape of the body is applicable. This problem is solved by changing the physical quantity into a large area, automatically dividing the lattice, and applying the lattice method to the investigation. The specific method of solving the lattice problem was investigated by visiting Dr. Nikiforakis's laboratory at the University.