2023 Fiscal Year Annual Research 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 / 希薄気体力学 / 希薄風洞 / 数値解析 / DSMC / MD |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、極超音速希薄風洞実験とDSMC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軌道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. ミクロ以上の表面微細加工による影響評価に向けてDSMC解析コードを拡張し、形状依存性・ピッチ依存性・クヌーセン数(希薄度)依存性を評価した。透過型模型も用いた場合、クヌーセン数が高いケースでその依存性が評価できる指標を得た。
2. また、その現象解明に向けて表面微細加工物理形状モデルと表面反射改良モデルの２つの異なる手法を構築した。
3. 比較検証の結果、各壁面角度で反射される流束比分布を考慮することによって表面微細加工物理形状モデルと一致する結果を得た。
4. 表面粗さ依存性を制御するため、表面微細加工模型を製作することによって、その影響を検証した。希薄風洞環境では表面微細加工の影響は小さいが、数値解析と一致する結果を得た。
5. 流束比分布表面反射モデルを用いて表面微細加工の表面反射を効率的に評価できる指標を得た。
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