極超音速飛行体の衝撃波干渉空力加熱に及ぼす高温化学反応の影響に関する研究

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05650937
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 麻生 茂 九州大学, 工学部, 助教授 (40150495)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木原 尚 九州大学, 工学部, 助手 (60243911)
• Keywords: 空力加熱 / 高温効果 / 衝撃波 / スペースプレーン

Research Abstract

今年度は、昨年度に達成した振動エネルギを考慮する高温効果に加えて、解離反応を含む高温効果に発展させた。昨年度の研究では、気体分子の振動エネルギは励起されるが、解離までには至らない程度の高温環境下での解析であった。その研究成果をふまえて、さらに高い高温環境下での高温効果(解離反応)について研究を進めた。そこで、昨年度に開発した数値スキームを解離反応を含む流れを解析するスキームに発展させた。また、昨年度に開発した数値スキームは2次元薄層近似Navier‐Stokes方程式に基づいていたが、解析コードの開発にあたってはそれを発展させ2次元完全Navier‐Stokes方程式について行った。
この場合、強い衝撃波で気体分子は一旦解離するが、その解離気体が壁面及び壁面近傍で再結晶反応を生じることがあるために、壁面では通常よりはるかに高い空力加熱が予想される。つまり、(全空力加熱量=空気力学的空力加熱量+化学反応による付加エネルギ)であることが予想され、その効果がどのように大きいかを評価することが重要なポイントである。
具体的には、はじめに酸素分子の解離反応についての数値スキームを開発し、実験結果と比較した。その結果、衝撃波の反射パターンが、酸素分子の解離反応を考慮することによって、初めて実験結果とよい一致を得ることができること。また、壁の触媒性について完全触媒性と完全非触媒性の二つの条件で計算を行った結果、完全触媒性の壁の方が壁面への空力加熱量がはるかに大きく、(全空力加熱量=空気力学的空力加熱量+化学反応による付加エネルギ)については、化学反応による付加エネルギが空気力学的空力加熱量よりまさることがあることが明らかとなった。
さらに、この数値スキームを空気(酸素分子・窒素分子)の解離反応を考慮したモデルに拡張し、実験結果と比較した。その結果、空気の場合には窒素分子と酸素分子では解離する温度が異なり、かつ解離温度が低い酸素分子の方が窒素分子にくらべ約4分の1しかないこと、等の影響により比較的低い温度では、解離反応の空力加熱量への影響はあまりないことが明らかとなった。また、窒素分子も解離する比較的高い温度では解離反応の空力加熱量に及ぼす影響は大きいことが明らかとなった。
以上の2年間にわたる本研究により、高温環境下における衝撃波に誘起された非定常空力加熱現象における高温効果(振動エネルギの効果、酸素解離反応、空気(酸素分子・窒素分子)の解離反応)に関する新しい知見が得られ、本研究の当初の研究目的を達成することができた。

Research Products

• [Publications] S.ASO,Y.KUMAMOTO,N.KONDO,Y.NAKAMURA,M.KATAYAMA and R.UROSAKI: "Aerodynamic Heating with Boundary Layer Transition and Heat Protection with Mass Addition on Blunt Body in Hypersonic Flow" Proceedings of 24th AIAA Fluid Dynamics Conference(AIAA Paper 93‐2984). (1993)
• [Publications] S.ASO,K.Ohyama,T.Fujiwara,and M.MAYASHI: "Numerical Simulations of Unsteady Aerodynamic Heating Phenomena due to Shock Wave Reflections with Vibrational Equilibrium" The Memoirs of the Faculty of Engineering,Kyushu University. 53. 47-56 (1993)
• [Publications] 麻生茂、大山健一、藤原俊隆、林正徳: "振動平衡を考慮した衝撃波反射における非定常空力加熱現象の数値計算" 九州大学工学集報. 66. 305-311 (1993)
• [Publications] S.ASO,K.Ohyama,T.Fujiwara,and M.Hayashi: "Numerical Simulations of High Temperature Effects on Unsteady Aerodynamic Heating Phenomena Due to Shock Wave Reflection" Proceedings of 5th International Symposium on Computational Fluid Dynamics,held at Sendai,Japan,on August 31‐September 3,1993. I. 33-37 (1993)
• [Publications] K.Ohyama,S.ASO and M.Hayashi: "A Study on Mesh Refinement for Shock Induced Unsteady Aerodynamic Heating Simulations" Proceedings of 5th International Symposium on Computational Fluid Dynamics,held at Sendai,Japan,on August 31‐September 3,1993. II. 399-404 (1993)
• [Publications] S.ASO,K.OHYAMA,T.Fujiwara,and M.HAYASHI: "Effects of Vibrational Equilibrium on Unsteady Aerodynamic Heating due to Shock Wave Reflection" Proceedings of International Sessions of the 31st Aircraft Symposium held at Tokyo,Japan on November 10‐12、1993. 564-567 (1993)
• [Publications] 麻生茂、大山健一、藤原俊隆、林正徳: "振動平衡を考慮した衝撃波反射過程における非定常空力加熱現象の数値計算" 第11回航空機計算空気力学シンポジウム論文集. 157-162 (1994)
• [Publications] 麻生茂: "スペースプレーンの衝撃波干渉問題の計測法について" 日本航空宇宙学会誌. 42. 164-168 (1994)
• [Publications] S.Aso et.al.: "Experimental and Computational Studies on Heat Protection of Blunt Body with Film Cooling," Proceedings of 19th International Symposium on Space Tachnology and Sciences,held at Yokohama,Japan,on May 15‐24,1994(ISTS 94‐d‐15). 357-362 (1994)
• [Publications] S.ASO,K.OHYAMA,T.MITOMO,T.FUJIWARA and M.HAYASHI: "NUMERICAL EXPERIMENTA ON SHOCK INDUCED UNSTEADY AERPDYNMIC HEATING PHENOMENA WITH HIGH TEMPERATURE EFFECTS" 19th International Symposium on Space Tachnology and Sciences,held at Yokohama,Japan,on May 15‐24,1994(ISTS 94‐d‐34). (1994)
• [Publications] K.Izumi,S.Aso and M.Nishida: "Experimental and computational studies focusing processes of shock wave reflected from parabolic reflectors" An International Journal of Shock Waves. 3. 213-222 (1994)
• [Publications] S.Aso,T.Mitomo,K.Ohyama,T.Fujiwara and M.Hayashi: "High Temperature Effects of Unsteady Aerodynamic Heating due to Shock Wave Reflection" Proceedings of the Asian‐Pacific Conference on Aerospace Technology and Science,held at Hangzhou,China,on October 10‐12,1994. 655-660 (1994)
• [Publications] Shigeru ASO: "Unsteady Aerodynamic Heating Structure in Shock Wave Reflection Processes" Proceedings of 1st Asian Computational Fluid Dynamics Conference,held at Hong Kong University of Science and Technology,on Jan,16‐19,1995. 1. 51-59 (1995)
• [Publications] 黒滝卓司、中村淑子、黒崎隆二郎、片山雅之、麻生茂: "極超音速流れにおける軸対称物体回りのフィルムクーリング冷却法に関する研究" 第12回航空機計算空気力学シンポジウム論文集. (出版予定). (1995)
• [Publications] K.OHYAMA,S.ASO and M.HAYASHI: "Numerical Simulation of Shock Induced Unsteady Aerodynamic Heating with Highly Dens Mesh System" Proceedings of 19th International Symposium on Shock Waves,held at Marseilles,France,on July 26‐30,1993.(to be published).
• [Publications] 原著 R.T.Jones 柘植俊一、麻生茂 共訳: "翼理論" 日刊工業新聞社, 222 (1993)
• [Publications] 高山和喜 編,(分担執筆): "衝撃波ハンドブック" (出版予定),