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Surface icing and phase change of water in hypersonic flow

高超声速流中水的表面结冰和相变

基本信息

批准号：
21K18777
负责人：
渡邉保真
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Toyota Technological Institute (2022)The University of Tokyo (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18777/
关键词：
極超音速相変化極超音速機着氷

项目摘要

令和4年度は主として極超音速気流中での水の相変化に対する基礎特性の実験的解明，および，航空機を模したダイヤ型模型表面周りでの着氷特性計測について実験計測及び数値解析モデルの構築を実施した．航空機表面における着氷現象と，それに伴う機体形状の変化は航空機の空気力学的特性低下に大いに影響し安全性に直結する問題である．本研究では将来型宇宙往還機や極超音速旅客機における機体表面での水の相変化と着氷に関する基礎研究を実施した．高速航空機の巡航速度域である極超音速流れにおいて，昨年度に引き続き航空機の簡易形状としてダイヤ型模型を製作し，その周囲に形成される衝撃波・膨張波を伴う温度・圧力の急激な変化を伴う流れ場において，水の相変化を計測調査した．東京大学柏極超音速高エンタルピー風洞において，マッハ数7.0，よどみ点温度約600Kの気流中に頂角20度のダイヤ型模型を設置し，その表面に投入した液体の水が高速流れ，特に衝撃波・膨張波と干渉しつつ下流側で着氷となる際の液滴分布及び氷結晶分布を散乱光計測およびシュリーレン法等の光学計測により測定した．本現象における気体・液体・個体の水の挙動を解明するため，気体の水についてはNavier-Stokes方程式に基づく空気と水の流れ場について解析を行い，液滴の挙動については粒子法を応用した挙動解析モデルをたて，液相と周囲の高速流（気相）が液滴への抗力を相互作用として連成したモデルにより解析を実施した．解析により得られた液滴分布は実験計測結果と定性的に良い一致を示し，極超音速流れと強く干渉しながら移流しつつ急激な温度変化を経ることが判明した．実験と解析を通し，極超音速流れでの着氷現象においては比較的狭い領域で急速な相変化と着氷の発生が示唆された．

Explanation of the basic characteristics of the phase change of the water in the hypersonic flow in the 4th year of Reiwa 4, および, aircraft aircraft Measurement of the ice adhesion characteristics around the surface of the molded model, measurement of the ice adhesion characteristics of the surface of the model, and analysis of the numerical value, construction and construction of the model. The phenomenon of icing on the surface of an aircraft is a problem, and the change of the shape of the aircraft body is accompanied by the low mechanical characteristics of the aircraft, which greatly affects the safety and the problem of direct integration. This research is based on the basic research on the construction of a future space shuttle and a hypersonic passenger aircraft on the surface of water and ice on the body surface. The high-speed aircraft's cruising speed range is the ultra-supersonic flow, and the aircraft's simple shape model was produced last year.そのweek囲に formed される撃wave・expansion waveをassociated with temperature・pressure force の変change な変change with うflow field において, water phase change をmeasurement and investigation した. Tokyo University Kashiwagi Supersonic High Speed Wind Tunnel において, マッハ number 7.0, よどみ point temperature Approximately 600K, a 20-degree vertex-type model in the current flow, and a liquid is placed on the surface. The water flows at a high speed, and its characteristics include impact waves, expansion waves, dry waves, and the separation of droplets on the downstream side of the ice and the edge. Cloth and ice crystal distribution, scattered light measurement, optical measurement, etc. This phenomenon is explained by the movement of water in the body, liquid, and individual body. The Navier-Stokes equation is based on the empty space and the water flow field, and the analysis is done, The particle method of liquid droplet movement is used to analyze the movement of liquid droplets, and the liquid phase is high-speed. Flow (気 phase) が droplets への resistance を interaction として connected into したモデルにより analysis を実 Shi した. Analyzing the liquid droplet distribution, the measurement results are qualitatively consistent and extremely consistent. The speed of sound is strong, the flow is strong, the flow is strong, the flow is rapid, the temperature changes, and the temperature changes.実験とanalytic を通し, hypersonic flow れでの Ice phenomenon においては comparative narrow い field で rapid な phase change と glacial の発生が说 instigation された.