| Project/Area Number |
21H04589
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
佐宗 章弘 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40215752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中村 友祐 名古屋大学, 工学研究科, 特任助教 (10847685)
北村 圭一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (20402547)
長田 孝二 京都大学, 工学研究科, 教授 (50274501)
太田 匡則 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (60436342)
市原 大輔 名古屋大学, 工学研究科, 助教 (80815803)
杵淵 紀世志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90648502)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2024: ¥7,020,000 (Direct Cost: ¥5,400,000、Indirect Cost: ¥1,620,000)
Fiscal Year 2023: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,150,000 (Direct Cost: ¥5,500,000、Indirect Cost: ¥1,650,000)
Fiscal Year 2021: ¥20,410,000 (Direct Cost: ¥15,700,000、Indirect Cost: ¥4,710,000)
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| Keywords | 衝撃波 / ソニックブーム / 衝撃波管 / 圧縮性流体力学 / 光学可視化 / リーマン問題 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、衝撃波面前方に僅かな流速場を誘起すること（流速場nudge）によって波面を消失させるくらい積極的に背後圧力の増加を抑制する方法を原理実証し、ソニックブームなどの衝撃波被害緩和に応用することを目的とする。主要実験装置として「流動衝撃波管」を開発し、既設の屋内自由空間も活用して実験サイトを整備し、数値解析と光学可視化計測と密接にタイアップして研究を推進する。流速変化領域の有限長さや多次元性の影響等も含めて、関連する流体力学現象を解明し、衝撃波緩和・消失デバイスを原理実証、機能評価し、応用展開につなげる。
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| Outline of Annual Research Achievements |
対向衝撃波管を利用し、衝撃波管内に導入した噴流と衝撃波との干渉実験を行った。当初噴流導入のために圧力溜と接続した電磁弁を用いたが、流量不足のために効果が限定的だった。次に、手動バルブにより準定常流を形成し、衝撃波との干渉を観測したところ、有意な効果が得られた。ただし、準定常噴流形成による圧力場変動の影響が大きく、理論的に予測されるまでの効果を得るには至らなかった。次に、対向衝撃波管の片側の駆動部で膨張波扇を発生させ前方流速誘起を試みたが、同時に静圧も低下するため、想定したnudge効果を得るには至らなかった。以上の結果を踏まえて、縮流部を持つ試験部を考案し、今後の実験の準備につなげた。
また、名古屋大学飛行性能評価風洞を用いて乱流衝撃波干渉における前方流速の影響を調査した。風洞出口に設置した格子により乱流を生成し、横方向から球面衝撃波を入射・伝播させた。流れ方向と流れに逆行する方向に伝播する衝撃波の強度に変化は見られなかった。直接数値計算において乱流と干渉した垂直衝撃波面の変形に関する解析を行った。
さらに、本研究のターゲットとなる非常に弱い衝撃波（マッハ1.01）の数値計算において，従来のMUSCL法でなく，これに界面シャープニング技術THINCを組み合わせる事で対処可能である事を実証した．更には副次的な成果として，衝撃波以外の不連続面を安価にシャープに捉えられる事を示した．
衝撃波現象の３次元可視化実験について、従昨年度までに多方向同時計測システムを改良し，φ100mm，流れ方向210mmの領域における計測が可能となった．これを用いて衝撃波管開口端部から放出された初期衝撃波マッハ数1.05の衝撃波ならびに衝撃波と噴流との干渉場を計測し，比較的弱い衝撃波面の計測も可能であることを確認した。
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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
実験では、まだ大きなnudge効果が得られる結果が得られていないが、問題点を解析し、その対応策を準備している。当初は、申請書に記したように「流動衝撃波管」を作成し、衝撃波管内に定常的な循環流れを形成し、それと衝撃波の干渉を調べる予定であったが、循環流導入部で静圧が変化し、複雑な衝撃波干渉が起こることが分かった。そのため、収縮流路に準一次元流れを形成する方法を考案した。これによって、衝撃波と前方流れの干渉をシンプルに調べる方法を確立出来た。さらに。数値解析については、MUSCL法とTHIC法を複合的に組み合わせることによって、弱い衝撃波をシャープに捉える方法を考案した。この方法によって、比較的安定な低次精度のスキームであっても、衝撃波をシャープな変化としてとらえることができるようになった。これは、特に弱い衝撃波に対して有効であることも明らかになってきたが、このことは当初の計画以上の成果となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、衝撃波管および自由空間における衝撃波変調実験とそれらの数値実験を介して、前方流動場nudgeによる衝撃波面消失原理の実証と、マジックフェンスの圧力変調効果を検証する。衝撃波管実験において、これまでの定常流形成法では、衝撃波管内の圧力分布が大きく変化してしまい、原理実証が困難であることが明らかになった。それに対して、衝撃波管内に先細‐末広ノズルを設置し、予め準定常流れを発生させたところに衝撃波伝播させることによって、理論的に衝撃波を消失させることが可能であるという解析結果が得られたため、それに対応した実験を実施する。その際、準定常流れの発生と衝撃波伝播の同期は、既存の対向衝撃波管の隔膜破断制御システムを活用する。マジックフェンスについては、昨年度の研究でその効果が確かめられたため、今年度はより詳細な実験、解析を行いそのメカニズムを解明する。屋内自由空間における実験では、これまで風洞流れを横切る方向での衝撃波伝播特性を調べたが、今年度は風洞流れの方向に伝播する衝撃波の変調特性を中心に調べる。衝撃波面の光学可視化診断については、弱い衝撃波の可視化に対する感度を評価し、自由空間における可視化実験の実施につなげる。数値実験に関しては、弱い衝撃波面の補足能力を向上させるために、既存のMUSCL法を改良したMUSCL-THINCハイブリッド法を採用し、コードの検証と解像度向上を検討する。以上の成果を総合することによって、衝撃波圧力変調に関する原理実証を終え、応用展開へとつなげる。
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