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。

这项研究的目的是将分子振动弛豫效应纳入CFD分析方法（全空间仿真方法）中，该方法分析了地面高海拔时产生的冲击波，从而可以预测声音繁荣的上升时间，并阐明从高超音速飞机中产生的Sonic Boom的传播特性。今年，我们解决了以下两个点：1。分子振动弛豫对波形的影响，对三种化学物种之间发生的振动振动能量交换反应的影响：氧，氮和水研究了。结果，发现当振动松弛时间长时间时，振动 - 振动能量交换反应会导致缓慢激发分子的振动能迅速激发，而压力波形的形状也会改变。另一方面，当振动松弛时间短时，所有分子的翻译振动能量交换反应都会迅速发生，因此振动振动能量交换反应的影响很小。此外，由于已经对伸长的轴对称旋转物体进行了分析，因此我们还对产生强脱离冲击波的球体进行了分析。结果，发现在发生断裂的冲击波的情况下，使波突变的非线性效应很强，因此，直到冲击波传播很远并变得足够弱，才形成上升时间。 2。随着研究的进展早于最初计划扩大整个空间模拟应用范围的范围，我们也开始研究以进一步发展这项研究。我们到目前为止已经构建的整个空间仿真方法是基于我们使用结构晶格的前提，并且不能应用于三维形状飞机。为了改善此问题，我们进行了一项调查，以引入溶液拟合的晶格方法，该方法允许在物理数量差异很大的区域自动细分晶格。具体来说，我们参观了Nikiforakis博士的实验室，Nikiforakis博士是一所使用溶液拟合晶格方法进行分析的大学，并研究了考虑在溶液拟合晶格上考虑分层气氛的方法。