Numerical study of Mach cutoff noise generated with supersonic flight
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22K04540
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 24010:Aerospace engineering-related
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| Research Institution | Doshisha University |
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Principal Investigator |
土屋 隆生 同志社大学, 理工学部, 教授 (20217334)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
金森 正史 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (50770872)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥3,770,000 (Direct Cost: ¥2,900,000、Indirect Cost: ¥870,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000)
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| Keywords | 超音速旅客機 / ソニックブーム / マッハカットオフ / マッハカットオフ騒音 / FDTD法 / 騒音予測 / 大気乱流 / 騒音 |
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| Outline of Research at the Start |
飛行機が超音速で飛行するとソニックブームと呼ばれる衝撃性の騒音が発生することが知られている。このソニックブームが大気中の温度変化により直進せずに曲がるために生じるマッハカットオフ現象を利用した低騒音な超音速飛行が計画されているが，現実には想定外に大きな騒音の発生が報告されている。このマッハカットオフ騒音は，気象による局所的な大気乱流が原因と予想されるが未だ解明されていない。本研究は，この騒音を数値解析によって解明することを目指す。広大な空間を効率よく解析するためのハイブリッド法を開発し，騒音の全容を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
商業運行が期待されている超音速旅客機(SST)は，ソニックブームの問題が避けられないが，大気中の温度勾配に起因するマッハカットオフ(MCO)現象を利用した回避法が模索されている。しかしながら，気象に起因した局所的な大気乱流によるMCO騒音の発生が問題となっている。
本研究の目的は，数値的手法によるMCO騒音の全容解明であるが，本年度はブームとMCO騒音の計算を分離したハイブリッド解法を開発した。ブーム本体の伝搬計算は拡張Burgers法と非線形Tricomi法の組み合わせで，高忠実な計算を行えるようにした。その結果，従来の時間領域差分(FDTD)法のみの場合より，騒音レベルにして20-30 dBの精度向上が確認された。また，MCO騒音の伝搬計算には大気乱流モデルを組み入れたFDTD法を使用した。数値実験の結果，MCO騒音は主にSSTから放射された直後の衝撃波によって発生している可能性が示唆された。
しかしながら，この知見は1)地上から遠い高高度の騒音の方が優勢である，2)低高度のフォーカスブームの音圧が最大にも関わらず騒音が小さい，といったこれまでの常識とは異なる結果であるため，その真偽について議論を呼んだ。そこで，乱流を局所的に表すランキン渦を擾乱モデルに組み込み，渦の位置を変化させることでMCO騒音の性質を探ったところ，前述の結果が支持されることとなった。
一方，解析結果の検証には，実験結果との比較検討が必須であるが，我が国は民間超音速機を保有していないばかりか国内に広大な飛行試験場も存在しない。そこで，NASAが2012年に実施したFaINTプロジェクトの実験データを入手した。このプロジェクトは，マッハ1.2以下で35,000 ftを水平飛行した場合のMCOによるエバネッセント波を対象として，様々な高度の音圧波形を取得している。次年度以降は，このデータとの比較を実施する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は，A)ハイブリッド解法の開発とB)大気乱流モデルの検証を実施した。まず，A)の進捗状況については，当初想定していたハイブリッド解析のプログラムを開発できた。この手法は，ブーム本体を非線形音響手法である拡張Burgers法で解析し，焦線近傍のエバネッセント波を非線形 Tricomi法で解析することで，非線形効果を考慮し，かつ観測結果に忠実なブーム計算を行うものである。それぞれ，JAXAにより開発・実用化されたXnoise, FFnoiseという解析ツールを元にして，それらの解析結果をつなぎ合わせることで，ブーム本体の音圧分布を計算可能にした。Perceived Levelによる評価の結果，従来の時間領域差分(FDTD)法のみに基づく計算結果よりも20-30 dBの精度向上が確認された。一方，MCO騒音解析は，ブームの解析結果をこれまで開発済みのFDTD法に入力することで，全空間解析プログラムを開発した。MCO騒音については十分な検討を行えなかったが，従来法と同等の精度を有することが確認された。
一方，B)については，実観測データとの比較が必須であるため， NASAが2012年に実施し，JAXAも参画したFaINTプロジェクトの実験データを当初の計画通り入手した。しかしながら，入手データが膨大であることからデータ整理が追いついていないため，計算との比較が行えていない。そのため，この区分とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，開発されたハイブリッド法がMCO騒音予測に十分な精度を有するかどうかを検証する。そのために，NASAから入手したMCO騒音データとハイブリッド法による計算結果を比較検討することで，本手法を評価する。ただし，ハイブリッド法によってブーム本体の精度は飛躍的な向上が見込めるが，MCO騒音伝搬計算はFDTD法を用いているため，数値分散誤差が避けられない。また，十分な精度を確保するためには計算機資源の増大は避けられない。そこで，音線法によるMCO騒音評価手法の可能性も併せて検討する。この手法は，初年度にMCO騒音の発生地点の検討で用いたランキン渦モデルの拡張版で，騒音発生源がランキン渦のように局所的に限定できれば，その後の騒音伝搬計算は音線法でも可能ではないかという着想から始まっている。
ハイブリッド法の検証とともに，数値実験によるMCO騒音の解明についても検討を行う。MCO騒音は，乱流の高度・スケール・分布や，機体形状に基づいたブーム波形などで大きく変化することが予想されるので，現実にとり得る条件がMCO 騒音へどのような影響を与えるのかを数値実験し，MCO 騒音の全容を数値的に解明する。
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
