2019 Fiscal Year Research-status Report
超軌道速度流れ場の高信頼予測実現へ向けた非平衡モデルの進展
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19K04842
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| Research Institution | Kochi University of Technology |
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Principal Investigator |
荻野 要介 高知工科大学, システム工学群, 講師 (90586463)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 衝突輻射モデル / 高エンタルピー流の数値計算 / 原子・分子過程 / 輻射熱輸送 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気圏突入時に宇宙機が経験する過酷な空力・輻射加熱環境における熱化学非平衡性や輻射熱輸送の物理モデル化に関して本研究では、実現象により即し、従来法の代替となり得る新たな非平衡モデルを創設・提案することを目的とする。
具体的には、既存の非平衡モデルでこれまで簡略化されてきた流体内部における量子力学的状態（振動・電子励起状態）ごとの質量保存則を直接解析する。それを圧縮性 Navier-Stokes 方程式と連立し、さらに輻射熱輸送方程式と結合させることで極超音速流動場のより正確な解析を試みる。超軌道速度飛行体まわりの非平衡モデル開発と流動場予測用高精度数値計算コードを構築し、次代の世界基準に足り得る高信頼手法の提案を目指す。
本研究計画の初年度となった2019年度では、従来法の非平衡モデルにおいて平均化されていた励起状態ごとの密度分布を衝突・輻射遷移方程式によって直接計算し、電子励起状態ごとの質量保存を解いた。さらに輻射熱輸送との結合コード開発を行い、輻射光線の追跡計算と同時に非平衡物理モデルの複雑化と高精度化、さらに壁面入射する輻射スペクトル解析コードの実装にも成功した。熱力学平衡を仮定した上で輻射スペクトル同定などが行われている極超音速流れ研究の現状を乗り越えた、これまでになくより精緻な輻射熱輸送の数値予測が実現可能となる。
本年度これまでに得られた数値計算に関する研究成果をまとめ、国内学会にて数件の講演発表を行い報告議論を重ねた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究計画の初年度に構築した統合計算手法では圧縮性 Navier-Stokes 方程式と衝突・輻射遷移方程式、輻射輸送方程式をすべて結合した。非平衡な励起状態分布を衝突・輻射遷移方程式によって計算し、非平衡物理モデルを複雑化することで理論的な観点から Park モデルと呼ばれる世界的に標準と考えれれている従来手法の更なる高度化を図った。また、輻射発光・吸収強度を空間全域で追跡し熱輸送を膨大な数値計算コストのもとではあるが、実際に解けるようになったことから流れ場と励起分布へ直接フィードバックも可能となった。世界的に見てもこれまでにない結合計算コードを構築することに成功した。しかしながら要する計算コストが非常に高く、大規模な計算の実行はできるものの計算時間の長大化は避け切れない。これまでの計算結果を少しずつ蓄えながら成果考察を進め、学術論文誌へなるべく早期の投稿を予定している。
また、2020年度に実施予定の分光計測実験に関して、具体的な計測装置と環境整備を含めて進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況欄に記載のように長時間の数値計算が必要となることがまず課題ではあるが、現状自由に利用できるクラスタ型計算機を保有運用しているためやや遅れてはいるものの十分な成果を近く期待できる。その他、計算コードの整備なども並行して進めていく予定である。
今年度の2020年度にはまず分光計測機器を選定購入し、その後、アーク加熱風洞や極超音速流を利用できる衝撃風洞などの実験設備へインストール、流れ場からの発光を計測し数値計算結果との比較検証を実施する予定である。ただ、COVID-19の渦中にあっていかに分光計測実験を行うのか、また風洞施設を保有する外部機関との連携は可能か等が、差し迫った大きな問題である。来2021年度の研究計画まで含めて出来る限り速やかにまた柔軟に対応できる準備を進め、本申請課題の完遂を目指す。
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