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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．

In order to solve the basic characteristics of water phase transformation in hypersonic flow in 2004 and 2005, the measurement of landing characteristics on the surface of aircraft model and the construction of numerical analysis were carried out. The aircraft surface is affected by the phenomenon of surface deformation, which is accompanied by the change of airframe shape and the degradation of aircraft aerodynamic characteristics, which greatly affects the safety of the aircraft. This study is to carry out basic research on the surface water phase transformation and surface water transfer of future space shuttle and hypersonic passenger aircraft. A simple shape model of a high-speed aircraft was developed in the cruise speed domain, and shock waves, expansion waves, temperature and pressure fluctuations, and accompanying flow fields were investigated. In the University of Tokyo's Kashiwa Supersonic Entle Pi Wind Tunnel, a Dai-type model with a 20-degree apex angle in the gas flow with a Mach number of 7.0 and a temperature of about 600K at the center point is set up. Liquid and water can flow at a high speed on the surface. In particular, the liquid droplet distribution and crystal distribution during shock waves, expansion waves, and dry waves on the downstream side are measured using optical measurements such as scattered light measurement and the Sishiraren method. This phenomenon involves the solution of the motion of water in a gas, a liquid, and an individual. The Navier-Stokes equations for the motion of water in a gas are based on the Navier-Stokes equations for the motion of air and water in a flow field. The particle method for the motion of liquid droplets is used for the motion analysis. The liquid phase and the high velocity flow (gas phase) of liquid droplets interact with each other. The analytical results show that the droplet distribution is consistent with the qualitative measurement results, and the hypersonic flow is strong and dry. In the case of hypersonic flow, the phenomenon of rapid phase change and the development of hypersonic flow in a relatively narrow region are shown.