2021 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）周りの砂による粉体流れを、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。2021年度は本研究の最終年度であり、以下の成果が得られた。
１）CNE流体モデルでは、密度と圧力の関係（状態方程式）を非可逆的圧縮過程と弾性的過程（除荷および再圧縮）の２種類に分けて記述する。前年度に開発された油圧プレス準静的圧縮試験法により、このモデルがガラスビーズ粒子直径の差異や物質（珪砂、ガラスビーズ、その混合等）によらず砂状粉体のマクロな特性の表現に適用できることを確認した。
２）前年度に開発した垂直下方向きの射出装置により円筒容器に入れたガラスビーズへの衝突実験を最大約200m/sで実施した。その結果、クレータの縁付近から斜め上方に円錐面形状をした薄い層（エジェクタカーテン）が噴き出される過程や、衝突体が軽い場合、一旦、ターゲットに貫入しても、粒子の噴出流れに乗って再度放出されることなどがわかった。
３）実験的に得られたCNE流体モデルの状態方程式を実装できる計算コードを開発した。リーマン問題について詳細な数値解析を行い、非可逆的圧縮過程が関わる圧縮は不連続な衝撃波となるが、弾性的過程による先行波は有限の厚みを持つ波であることを見出した。CNE流体は本質的に非可逆的であるため、そのリーマンソルバーは複雑なものとなる。ニュートン法を導入して反復法による数値計算の加速を行ったが、さらなる計算時間短縮が必要であり、軸対称の貫入シミュレーションからフル３次元への拡張は今年度中に実施することができなかった。しかし、イジェクタカーテンの形成など妥当な結果が得られており、さらなる計算時間短縮を除けば、本研究が目的とする数値ペネトレータの基盤技術は確立できたと言える。
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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