2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study on transition processes of streamwise vortices aimed at an innovative creation for the growth of perturbations in a high Mach number
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17K05145
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
比江島 俊彦 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 講師 (60316007)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 流体力学 / 数理物理 / シミュレーション工学 / 再使用型宇宙輸送機 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，高マッハ数での縦渦遷移機構の解明と渦崩壊等の制御に必須な知見を得ることである。縦渦は低速流から高速流まで乱流遷移における核となる組織渦構造であるが，高速流での縦渦遷移の機構は低速流と違ってよくわかっていない。超音速流では圧縮性により変動の成長とそれに伴い発達する組織渦構造の乱流遷移が抑制される。この高速流における縦渦遷移機構の解明は，次世代高速旅客機や宇宙往還機におけるエンジンの性能向上，超音速域での騒音低減および再突入時に生じる空力加熱に対する機体の熱防御に関する問題等に貢献が期待できる基礎的知見となる。
本研究では，スーパーコンピュータ（大規模計算機システム）による高精度高解像度の数値計算と安定性理論に基づく数理解析により，高マッハ数における革新的な乱れの成長促進の創出を目指した縦渦遷移の研究を行った。高マッハ数においても低速流のような乱れの成長を促進できる要素として，渦度分布とともに熱力学的量の分布が重要であることを縦渦流れが関連する不安定性に基づく変動成長から明らかにした。マッハ数の増加とともに乱れの成長を阻害する圧縮性効果の要因がエントロピーの変動成長と関連があること，ヘリシティ分布の不安定効果が大きな変動生成と動径方向への強い変動場の拡がりをもたらすことがわかった。また，衝撃波を伴わない超音速縦渦崩壊現象を初めて捉え，その発生条件も理論的に導いた。このように，高いマッハ数でも圧縮性の影響を受けにくい縦渦の基本特性を遷移の観点から解明し，超音速縦渦を制御する指針を得ることができた。
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