2017 Fiscal Year Annual Research Report
Formulation of Compressible and Not Expanding Fluid Dynamics and Study on Its Application to High-Speed Dense Dusty Flow
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16H04585
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
鈴木 宏二郎 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 教授 (10226508)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 粉体流 / 数値流体力学 / 圧縮性流体力学 / 衝突現象 / バリスティックレンジ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
「圧縮するが膨張はしない（CNE）流体」モデルの開発を進め、実験で観察された特徴的現象がこのモデルによって再現されることを示した。
CNE流体モデルでは、１次元衝突を標準問題として数値解析法の開発を行った。先行波、衝撃波、クラックから構成されるリーマン問題の基本解の全パターンを解析的に求め、有限体積法とゴドノフ法を用いた数値解析コードを完成させた。コードを２次元問題へと拡張し、斜め衝撃波が先行波と非可逆的圧縮を生じる衝撃波の二重構造を持つなど、通常の圧縮性流体モデルにない現象表現能力を有することを示した。CNE流体に対する非可逆圧縮の状態方程式を、圧力が密度に対して単調増加する一般的な関数に拡張し、その数値解法を開発した。圧縮による硬化を表現できるようになったため、モデルの実現象への適用性が向上した。
ダスト雲中の高速衝突現象について、スリットからシート状に落下する粒子のカーテンにバリスティックレンジで飛翔体を打ち込み、現象を高速ビデオで観察する実験手法を開発した。飛翔体前方には衝撃波のような高密度と思われる領域が形成されること、後方には粒子が存在しないこと、高速衝突では飛翔体表面で微小粉末が生成されること、飛翔体形状、速度、材質等の各種パラメータの効果などが明らかになった。
上記実験装置で飛翔体の代わりに容器に入れたダスト粒子を射出することで、ダストカーテンとダストジェットの衝突現象を観察することに成功した。並行して、CNE流体による数値解析を行い、ジェット前方の高密度領域や背後のクレータ状構造の形成など、定性的に実験を説明出来る結果を得た。飛翔体表面と粒子の衝突がないため、問題設定が簡単であり、数値計算結果と実験画像の合わせ込みによって非可逆圧縮の状態方程式を同定する手法が確立できると期待される。
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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
圧縮するが膨張はしない（CNE）流体モデルとその数値解法について、１）多次元化と、２）非可逆的圧縮過程の密度-圧力状態方程式を一般的な単調増加関数に拡張、ができた。先行波と非可逆圧縮衝撃波の二重構造や、物体後部での粒子のない空隙構造など、モデルの性質を明らかにするとともに、様々な圧縮特性を持つダスト雲へとモデルの適用可能性を広げた。これらの点において研究は順調に進んでいると言える。
実験では、粒子を細長いスリットを通して落下させ、カーテン状ダスト雲を作り、その面内にバリスティックレンジを用いて模型を突入させる手法を確立した。２次元に近い状況、かつ、測定部を減圧することで固気二相流としてではなく、固体粒子群の振る舞いが卓越するシンプルな状況、を作り出すことができ、現象の観測とその特徴理解を進めることができた。さらに、模型の代わりに粒子を射出し、ダストジェットとしてダストカーテンと衝突させる実験方法を考案した。この場合、衝突はダスト粒子同士のみなので、現象をモデル化するための問題設定がシンプルとなり、CNE流体モデルとの合わせ込みが容易になった。これらは、計画以上の進展と言える。
高温ダスト雲衝突における温度の効果についても、上記のダストカーテン法が有望であると考えている。そのためには、粒子落下装置に加熱ヒータを装着した装置を開発する必要がある。現在、ヒータの準備をしているが、この部分が開発要素として残ることになった。また、CNE流体モデルの数値解析において、雰囲気圧がある場合に適用できるよう、気相と固相（ダスト）の間での運動量とエネルギー交換を考慮するモデルに改修する必要がある。これについては、気相側コードの準備ができた段階であり、CNE流体コードに外力項を加える点が今後の開発要素となる。
以上をまとめると、本研究はおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
CNE流体モデルとその数値解析については、基本的な開発が完了しているので、今後はその実用性向上に集中する。主な課題は、１）非可逆的圧縮過程を表す密度と圧力の状態方程式の決定法、２）気流がある場合の気体―固体干渉効果のモデル化と計算コードの開発、である。前者は、バリスティックレンジを用いた実験画像と数値計算結果が一致するように状態方程式をチューニングしていく手法が有望と考えている。後者については、ダスト雲にジェットを噴射し、クレータ形成とダスト粒子の舞い上がりを観察する実験が、問題設定のシンプルさから適していると考えている。実験と計算の結果を合わせていくことでモデルの完成度を上げていく手法を予定している。
実験では粒子をヒータで加熱し、高温ダストカーテンとの衝突実験を行う装置開発を進める。ダスト粒子貯めにヒータを装着して、落下前に温度を上げていく方式と、スリットから落下する粒子に平面ヒータからの輻射として加熱していく２方式を候補としており、今後の検討でどちらかを選択する。当初計画では、高温風洞にダスト粒子を混入させるダスト風洞方式を考えていたが、これまでの研究成果から、ダストカーテン方式における、２次元的状況による観察の容易さ、減圧により雰囲気気体の流動による影響を排除できる、などの優位性からこちらに集中することとした。高速で衝突するダスト雲へのシールドの研究についても、シールドのサンプルを装着した模型をバリスティックレンジで発射し、ダストカーテンと衝突させることで、その有効性を評価することができる。その際、模型に大きな損傷を与えることなく回収するために飛翔体キャッチャーの能力向上を事前に実施する。
以上、これまでに得られた研究成果をまとめ、CNE流体力学の有用性を評価し、研究を完了させる。
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Research Products
(9 results)
