2020 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Computational Penetrator Dynamics Based on Gas Model with Irreversible Compressibility
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19H02339
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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) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 数値流体力学 / ペネトレータ / 衝突 / 粉体流 / 圧縮性流体 / レゴリス / 月惑星探査 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、ペネトレータ（槍型地下探査プローブ）まわりの砂（レゴリス）の流れを、圧縮されると除荷しても元の体積に膨張回復しない流体（CNE流体）としてモデル化し、シミュレーションする手法を開発することである。2020年度の成果は、以下の３点にまとめられる。
１）CNE流体の鍵は、状態方程式（密度に対する圧力の変化）が非可逆的圧縮過程と弾性的除荷および再圧縮過程の２種で構成されることにある。前者のみを圧縮と膨張の両方に用いた通常の圧縮性流体モデルを設定し、２次元の衝突クレータ問題を解いて、結果を比較した。CNE流体モデルでは、圧縮による高密度領域がクレータ表面直下に残存し、その密度も保持されるのに対し、通常モデルでは衝撃波の伝播とともに高密度領域が地下内部に進行して広がり、その密度も低下してしまう。これにより、衝突貫入解析におけるCNE流体モデルの必要性を示すことができた。
２）ガラスビーズと油圧プレスを用いた準静的圧縮試験において、油圧を瞬時に落とすことで除荷過程を再現し、その際の密度減少は圧縮時の密度上昇に比べてはるかに小さいことを示した。これにより、非可逆的圧縮曲線とそれより大きな勾配を持つ弾性的除荷/再圧縮線の組み合わせというCNE流体の状態方程式モデルの妥当性が実際の粉体に対して検証された。さらに、弾性的除荷/再圧縮過程のマクロな音速は、密度増加とともに速くなり、ガラスの持つ固体の音速に近づくことを明らかにした。
３）砂に垂直に貫入する軸対称ペネトレータについてはCNE流体数値解析コードが完成している。このコードは、ペネトレータ貫入問題のみならず、先端に開口部を持ち、その部分で砂サンプルを採集するサンプリングコアラーにも適用できることを見出した。計算結果により、砂サンプルが開口部で押し固められ、採取できる状態になることが分かった。
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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
2020年度は、１）圧縮するが膨張はしない（CNE）流体の数値流体力学コードのチューニングとその有用性の検証、２）油圧プレスによる粉体の密度-圧縮曲線の同定とCNE流体モデルの妥当性検証、３）砂ターゲットへの垂直衝突実験により動的挙動に関する特性の取得、を主な実施項目に設定した。
CNE流体の状態方程式では、非可逆的圧縮過程と弾性的除荷/再圧縮過程に分けられる。前者のみを可逆的に圧縮と膨張の両方に用いた通常の圧縮性流体モデルを設定し、同一の２次元の衝突クレータ問題を解いた。その結果を比較することで衝突クレータ問題におけるCNE流体の特徴を明らかにすることができた。圧縮で形成される高密度領域がクレータ表面直下に残存して密度の値が保持されるためには、通常の圧縮性流体モデルではなく、CNE流体モデルが必要であることが明らかになった点は意義が大きいと考えられる。
ガラスビーズと油圧プレスを用いた準静的圧縮試験において、圧縮後に油圧を瞬時に落とすことで除荷過程を再現し、その際の密度減少は圧縮時の密度上昇に比べてはるかに小さいことを示した。このことは、非可逆的圧縮曲線とそれより大きな勾配を持つ弾性的除荷/再圧縮線の組み合わせというCNE流体の状態方程式モデルが妥当なものであることの実証を意味する。砂の密度と圧力の変化特性をマクロに記述するモデルとしてのCNE流体モデルの妥当性が示された点は、全研究期間を通しても大きな成果と言える。
一方、砂ターゲットへの垂直衝突実験については、発射装置の整備と可視化装置の有効性の確認を行った。これらを用いたデータ取得は2021年度に実施される。
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 |
本研究では、圧縮するが膨張はしない（CNE）流体モデルを用いてペネトレータの地中貫入を数値シミュレーションする手法を開発することを目的としている。モデルの要点は、密度の関数として与えられる圧力が圧縮と除荷で異なる過程をとると考えることにある。状態方程式は非可逆的圧縮を表す曲線と弾性的除荷/再圧縮を表す線の２種類で構成される。2020年度の研究でガラスビーズに対する準静的圧縮試験を行い、上記が当てはまることを確認した。さらに、弾性的除荷および再圧縮時における音速は、非可逆的圧縮が進むほど上昇し、固体としてのガラスの音速に近づいていくことを発見した。2021年度の研究では、１）粒子サイズや物質を変えて圧縮実験を行い、CNE流体モデルが様々な粒子に対して適用できることを確認、２）2020年度までで整備した垂直下方向きの射出実験装置を用いて高速垂直貫入実験を行い、CNE流体モデルによるシミュレーションの妥当性を検証、３）フル３次元にシミュレーションコードを拡張し、CNE流体CFDコードの汎用性を向上、がテーマとなる。
１）において、ガラスの破壊強度である50MPa前後で状態方程式の形状が変化することが見出された。圧縮型ロードセルを導入して、この領域の精度良い計測とモデル化ができるようにする。２）で解析コードの妥当性検証が行われると、ターゲットとして想定される様々な砂に対し、準静的圧縮試験→CNE流体状態方程式モデル同定→ペネトレータ周りの砂流れのシミュレーション、という一連の手順が確立することになる。３）はこれまでの研究で開発された数値シミュレータの基本形に対し、その適用性や実用性を向上させるべく、改良を加え、数値ペネトレータを完成させることである。改良すべき主なポイントは、(a)アルゴリズムの改良による計算の高速化、(b)軸対称からフル３次元へのコード拡張、である。
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