超音速流における衝撃波の自励振動現象の解明

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08405063
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 麻生 茂 九州大学, 工学部, 助教授 (40150495)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 西田 迪雄 九州大学, 工学部, 教授 (10025968) ; 辛島 桂一 西日本工業大学, 工学部, 教授 (80013639)
• Keywords: 衝撃波 / 自励振動 / 超音速流 / 空力加熱 / 超音速混合 / キャビテイ流 / 逆噴射ジェット / プラグノズル

Research Abstract

今年度は超音速流における衝撃波の自励振動現象の解明にむけて大きく分けて6つのサブテーマについて平行して研究を行った。
第一に、超音速流中に置かれた先端が半球状の模型の中央部から超音速ジェット(マッハ数1.5)を逆噴射した場合に生じる衝撃波の自励振動について実験と数値計算を引き続き実施した。軸対称ナビエ・ストーク方程式を数値的に解いた計算結果は定性的に実験結果を非常によい一致をみた。また、同じ流れ場を超音速風洞を用いて実験を行った。主流マッハ数を2.5に固定したままでジェットの全圧を変化させた場合、全圧によって衝撃波の自励振動の振動数が数kHz台と数十kHzの二つのモードが存在することが新しく見いだされた。また、新しい可視化法として衝撃波-乱流境界層干渉流れ場の詳細な構造を明らかにするための蛍光測定システム(LIF)を導入し、流れ場の定量的測定法の開発を試みた。第二に、ロケットが地上から発射される際や宇宙往還飛行体が地上に垂直に着陸する際に生じる超音速ジェットと壁との干渉における衝撃波の自励振動について研究を行った。この研究は、ジェットの壁への入射の際に生じる圧力変動や熱流束変動が壁や飛行体自体に影響を及ぼすので非常に重要な問題である。ジェット出口と壁との距離によって変動のパターンが違うことが見いだされた。
第三に、熱的化学的非平衡現象を伴う衝撃波による非定常空力加熱現象について数値計算を行い、高温化学反応の衝撃波誘起空力加熱現象に及ぼす影響について知見を得た。第4に、再突入飛行体の表面の耐熱タイルが剥離して生じたキャビティ流れや耐熱タイル間の非常に狭い隙間に生じるキャビティ流れについて圧力ピークや熱流束ピークの存在位置とその大きさ、衝撃波を伴う自励振動に関する変動特性を明らかにした。第5に、超音速流に噴出した二次流による混合流れ場について実験的研究を行い、衝撃波の介在が混合にいかに有効に作用するかを明らかにした。この際、新しい試みとして二次噴射ジェットの噴射方法を二次流自らが作り出した衝撃波背後に二次流を噴出させ、その混合方式が通常の平行噴射よりも混合効率がよいことを可視化及び質量分析により明らかにした。第6に、完全再使用宇宙往還飛行体に使用予定のプラグノズルの流れを数値的に解き、プラグノズルに欠かせないボートテイル形状の生じる抵抗が形状を変えることによりどのように低減されるか、また主流マッハ数によっていかに変化するかを明らかにし実験結果とよい一致を得た。以上、今年度の研究課題は当初計画してりた内容をほぼ達成することができた。

Research Products

• [Publications] S.Aso,K.Matsumoto,T.Fujiwara and M.Hayashi: "Numerical simulations of shock-induced aerodynamic heating phenomena with thermo-chemical nonequilibrium" Proceedings of 21th International Symposium on Shock Waves,Paper 8997,held at Great Keppel Island,Australia,on July 20-25. 583-588 (1997)
• [Publications] Shigeru KUCHIISHII and Michio NISHIDA: "Numerical Study of a Supersonic Cavity Flow" Proceedings of 21st Onternational Symposium on Shock Waves,held at Great Keppel Island,Australia,on July 20-25. (1997)
• [Publications] A.Matsumoto,K.Umii,S.Aso and T.FUjiwara: "Numerical Simulations of Shock Wave-Boundary Layer Interaction Including High Temprature Effect" Proceedings of 21st International Symposium on Space technology and Science,paper 98-d-32,held at Omiya,JAPAN,on May 24-31. (1998)
• [Publications] 大城智,麻生茂,坂田展康,志田坦也: "超音速ジェットの壁干渉流れの数値計算" 九州大学工学集報. 71. 245-249 (1998)
• [Publications] S.Aso,A.Matsumoto,K.Umii,T.FUjiwara and M.Hayashi: "Numerical Simulation of Aerodynamic Heating Phenomena in the Process of Shock wave Reflection with Chemical and Thermal Nonequilibrium" Proceedings of FOURTH ECCOMAS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS CONFERENCE,held at Athens,Greece,on September 7-11. 956-961 (1998)
• [Publications] S.Aso,S.Oshiro,N.Sakata,and H.Shida: "Numerical Simulations on Interacting Flow Fields of High Temperature Jet Impinging on the Wall" Proceedings of FOURTH ECCMAS COMPUTATIONAL FLUID DYNAMICS CONFERENCE,held at Arthens,Greece,on September 7-11. 962-967 (1998)
• [Publications] K.Karashima,and M.Fukuda: "Self-Excited Oscillation of Supersonic Opposing Jet Flows" Proceedings of 21st International Council of Aeronautical Sciences.held at Australia,on September,1998. (1998)
• [Publications] H.KIHARA,S.ASO and M.NISHIDA: "A STUDY OF RADIATION FROM SHOCK HEATED NITROGEN" Proceedings of 4th KSME-JSME Fluids Engineering Conferece,held at Haeundae,Pusan,Korea,on October 18-21. 313-316 (1998)
• [Publications] 辛島桂一,麻生茂,中村和義,神下誠: "超音速流中の逆噴射ジェットの流れ場に関する実験的研究" 日本航空宇宙学会西部支部講演会講演集. 18-21 (1998)
• [Publications] 出田武臣,西田迪雄: "キャビティを過ぎる極超音速非平衡空気流" 日本航空宇宙学会西部支部講演会講演集. 152-155 (1998)
• [Publications] 杉本浩一,麻生茂,室岡武,棚次亘弘: "プラグノズルのボートテイル形状が抵抗に及ぼす効果についての数値実験" 第12回数値流体力学シンポジウム講演論文集. (1998)
• [Publications] 杉本浩一,麻生茂,室岡武,棚次亘弘: "完全再使用ロケット用プラグノズルのボートテール形状周りの流れの数値計算" 九州大学工学集報. 72. 9-14 (1999)
• [Publications] 麻生茂,松本彰: "衝撃波一境界層に及ぼす解離反応効果に関する考察" 平成10年度宇宙航行の力学シンポジウム講演集. 印刷中.
• [Publications] 麻生茂,辛島桂一,神下理,佐藤清,中村和義: "逆噴射ジェット中の衝撃波の自励振動に関する可視化と圧力変動測定" 平成10年度宇宙航行の力学シンポジウム講演集. 印刷中.
• [Publications] 河野慎吾,麻生茂,アリフヌルハキム,安藤安則: "ランプインジェクターを用いた超音速混合流に関する実験的研究" 平成10年度宇宙輸送シンポジウム. 印刷中. (1999)
• [Publications] 杉本浩一,麻生茂,棚次亘弘: "フラグノズルのボートテイル形状の流れの数値シミュレーション" 平成10年度宇宙輸送シンポジウム. 印刷中. (1999)