2017 Fiscal Year Annual Research Report
火星表面探査ミッション実現へ向けた流体構造連成解析による新型パラシュートの提案
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16J10373
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
金井 太郎 早稲田大学, 理工学学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | Drogue parachute / Subsonic flow / FSI / NURBS / Compressible flow |
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| Outline of Annual Research Achievements |
パラシュートにはギャップと呼ばれる隙間が設けられている。通常、ギャップを通過する流体を解像して、計算を行う。この計算では計算量が膨大になるため、これまで非圧縮性流体領域におけるパラシュートに対するhomogenized modeling of geometric porosity (HMGP-FG)と呼ばれる傘部の気体透過モデルが提案されている。本モデルは、流体用の高い解像度のメッシュを使用せずに、パラシュート傘部の布や穴から流出する流速を見積もる。しかし、適用可能範囲は非圧縮流体に限定されており、disk-gap-bandパラシュートやドローグパラシュートのような圧縮性流体領域で使用されるパラシュートには使用できない。そこで、昨年圧縮性流体領域で使用可能な気体透過モデルの構築を行った。この解析では、一般的な有限要素法で用いられる要素間がC0連続の基底関数が使用された。しかし、実際のパラシュート形状は滑らかであり、より現実的な形状を再現するために、本研究では構造・流体解析共に基底関数にnon-uniform rational B-splines (NURBS)を用いた。
今回対象とするドローグパラシュートの航行条件はマッハ数0.3-0.7程度である。そのため、衝撃波が形成されず比較的安定した計算を行うことができる。また、ドローグパラシュートはギャップの数が多いため、気体透過モデルの解析に適している。本研究では、マッハ数を0.3に固定し、高度を10,000, 20,000, 35,000 ftの3条件で解析を行った。複数条件による解析結果から、航行条件によらない気体透過モデルのパラメータを算出した。
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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
本年度は流体解析の手法を有限要素法からアイソジオメトリック解析に発展させたことが大きな成果である。アイソジオメトリック解析では矩形のパラメトリックスペースが利用されるため計算格子の生成が困難であった。さらに品質の悪い格子では、時間刻み幅に対する制約が大きくなり、解析を安定に行うことが難しい等全体を通して新しい手法特有の問題の解決が必要であった。結果として、手法に対する知見を多く獲得することができた。また、応用面ではドローグパラシュートの気体透過モデルはモデルなしに比べて10倍大きな時間刻み幅で計算できることがわかり、流体構造連成解析に向けて重要なステップをクリアした。
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度は構造・流体解析共に曲線・曲面モデリング手法であるNURBSを基底関数に用いたアイソジオメトリック解析を行った。アイソジオメトリック解析は比較的新しい手法であり、昨年度はその格子クオリティの影響の大きさを認識した。そのため、より実用的な解析に向けて研究する必要がある。
パラシュートの挙動に関しては紐に沿って衝撃波が伝搬し、加えて接触を伴う挙動の変化が起こる。また、パラシュートを同時に複数使用するクラスターの場合は、パラシュート同士が接触する。さらに、パラシュート開傘前は畳まれた状態であるため、接触した状態から段階的に開傘する。この事実を踏まえ、まずはパラシュート解析における接触解析を行い、その結果を元に新規形状の提案を目指す。
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