2022 Fiscal Year Annual Research Report
高レイノルズ数空力予測の精度向上を目指した衝撃波/境界層干渉の先進画像計測
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22H01684
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
河内 俊憲 岡山大学, 自然科学学域, 教授 (40415922)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 博貴 岡山大学, 自然科学学域, 准教授 (10626873)
田中 健人 岡山大学, 自然科学学域, 助教 (40911011)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 高レイノルズ数 / 先進レーザ計測 / 非定常空気力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、レイノルズ数を大きく変化させた条件で、付着境界層や衝撃波-境界層干渉に伴うはく離の詳細なデータを先進画像計測を用いて取得し、これらデータを用いて検証した高忠実な数値計算に機械学習を併用することで、高レイノルズ数流れにおけるはく離の計算モデル構築を目指している。
2022年度は大気吸込み風洞を用いて、運動量厚さを代表スケールとしたレイノルズ数で20000程度の付着境界層流れの実験データ（乱流統計量や壁面せん断応力）をPIVに加え、PTVと油膜干渉を新規に導入することで取得した。これに加えて、風洞実験において斜め衝撃波を導入する圧縮ランプの形状の初期検討を行い、予備実験を行った。予備実験では、圧縮ランプによる閉塞、発生した衝撃波と側壁境界層の干渉が問題となり、実験として適切な衝撃波の導入を達成できなかった。2023年度以降、これを改善する。
これら実験データの取得に加え、実験に対応するLarge Eddy Simulation（LES）を実施し、三次元数値計算データを取得した。更にLESに斜め衝撃波を導入可能な境界条件を構築した。斜め衝撃波を導入した計算では、まず二次元非粘性数値計算コードにこの境界条件を実装し、生成された衝撃波に対する格子依存性の影響等を調べた。その後、本研究に使用するLESコードへこの境界条件を実装した。
これら実験データの取得およびLESの実施に加え、高レイノルズ数流れにおいて壁面せん断応力を予測する数理モデルの構築を、LESを教師データとした深層学習により開始した。現在構築したモデルでは、モデル構築に用いた教師データの近傍時刻では予測精度が高いものの、遠方時刻では予測精度が低下する問題がある。2023年度以降、これを改善し、衝撃波-境界層干渉の数理モデル構築に備える。
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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
実施計画として2022年度は「１）大気吸込み超音速風洞を用いた付着境界層の詳細データ取得と計測手法の確立」、「２）付着境界層の高解像度数値計算と衝撃波導入」、および「３）付着境界層の深層学習を用いた数理モデル構築」を挙げていた。
1)に関しては「非定常圧力計測系の構築」を除けば目標は全て達成できた。加えて、予備的な実験ではあるものの、圧縮ランプを風洞内に設置し斜め衝撃波を導入した実験も実施できた。2)に関しては当初計画の達成に加え、今後計算結果の妥当性を検証する必要はあるものの、三次元LESコードへの斜め衝撃波を導入する境界条件の実装を達成できた。3)に関しても、適用範囲に問題はあるものの、深層学習を用いた数理モデルの構築を開始でき、これが可能である見通しがたった。1)に関しては未達の項目もあるけれど、1)および2)に関して予定より進展している点があるため、これらを加味し，「おおむね順調に進展している」とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度、風洞実験に関しては1) 大気吸込み超音速風洞を用いた付着境界層の詳細データ取得の継続するとともに、2) 風洞実験に斜め衝撃波を導入する圧縮ランプ形状の最適化やその設置方法をRANS解析を用いて行い、斜め衝撃波を導入した風洞実験手法を確立する。加えて、境界層レイノルズ数の増加を目指し、3) 加圧吹出し風洞実験の準備を進める。また非定常圧力計測系に関しては、COVID-19に伴う半導体の供給不足とそれに伴うセンサー価格の高騰・納期の長期化により、2022年度、新規にセンサーを購入することができなかった。これに関しては当研究室で保有するセンサーで代替を試みる。またこれらに加え、4)実験データを公開するデータサーバを整備する。数値シミュレーションに関しては、2022年度に引き続き、5) 高解像度の付着境界層の三次元数値データの取得を行うと共に、2022年度に実装に成功した衝撃波を導入できる境界条件を用いて、6) 衝撃波-境界層干渉の高解像度計算データの取得を開始する。数理モデルに関しては、2022年度に構築した数理モデルの適用範囲の拡大に努める。
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