2022 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of Surface Roughness Dependence on Rarefied Aerodynamics based on Hypersonic Rarefied Wind Tunnel Measurement and Molecular Dynamics Simulations
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21K04487
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
小澤 宇志 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (70567544)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 航空宇宙工学 / 希薄風洞 / 希薄気体力学 / DSMC / MD解析 / 極超音速流 / 数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、極超音速希薄風洞実験と粒子数値解析・MD解析を行うことにより、極超音速希薄気体空力現象の計測手法を確立し、物質表面係数及び希薄空力の表面粗さ依存性を評価することによる希薄空力予測精度の向上を目的とする。MD解析によりミクロな視点で表面粗さ依存性現象を解明するとともに、極超音速希薄空力計測(希薄風洞計測と粒子数値解析を融合した手法)によりマクロな表面係数依存性を解明する。さらに、得られたデータを用いてより正確で新しい表面モデルを構築することで、数値解析による希薄空力予測精度を向上させ、大気突入カプセルや超低高度衛星等の軌道制御システムの信頼性の向上を目指すものである。今年度の主な研究の成果を以下に示す。
1. 昨年度解析により最適化した透過型チューブ模型を製作し、表面係数の物質依存性・表面粗さ依存性を検証した。拡散反射比が高い解析結果と一致が見られたが、物質・表面粗さ依存性による変化は見られなかった。
2. LAMMPS MDコードとナノ材料解析統合GUIソフトを組合せたMD表面反射解析コードを開発し、極超音速希薄風洞環境を模擬して表面凹凸表面における粒子表面衝突システムを構築した。今後は、ポテンシャル依存性を検証していくとともに、表面粗さ・表面加工による影響を検証していく予定である。
3. 表面加工による影響評価に向けてDSMC解析コードを拡張した。
今後、物質依存性・表面粗さ依存性を数値解析結果と比較検証していくとともに、表面加工が表面係数に与える影響を検証していく。
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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
希薄風洞実験と数値解析コード開発・検証にわずかな遅れが生じたが、おおむね順調に進展している。
DSMC数値解析にてよって形状の最適化検討を実施し、透過型チューブ模型を製作した。3種類の物質依存性・4種類の表面粗さ模型で圧力計測を行った。表面係数依存性の影響評価に向けては依存性が高い条件を検証する必要がある。
また、ミクロな視点で現象を解明するために、MD表面反射解析コードで表面凹凸を模擬し、表面係数を評価するツールを開発した。
今後は、表面加工が表面係数に与える影響を検証するため、解析により最適な形状を検討・製作し、風洞実験と比較検証することによりその影響を評価する。また、規則性のある表面加工を使用することにより、解析との検証精度も向上すると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究は下記(1)-(4)を実施することにより推進する。
(1) 表面加工が表面係数に与える影響を数値解析により検証し、形状を最適化する。
(2) 複数の模型を異なる表面加工または材料で設計・製作し、希薄風洞実験を実施することによって数値解析結果を検証する。
(3) MD表面反射解析コードを拡張することによって、表面加工と表面係数の相関性を評価する。
(4) 実験結果と解析結果を比較検証することにより、既存のモデルを拡張して、表面モデルを構築する。
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| Causes of Carryover |
参加を計画していた国際学会がオンライン開催になったこと、数値解析用ワークステーションの購入を次年度予定としたこと、実験結果をフィードバックした模型再製作を次年度予定としたことにより、費用の一部が来年度に持ち越された。
次年度は、国際学会に参加し、研究成果を発表するため学会参加費として使用予定である。また、表面加工風洞モデルの設計・製作、表面加工の影響評価に向けた解析ツールの整備(ワークステーションの購入含む)、希薄風洞実験消耗品の調達に使用予定である。
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