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前方流速場nudgeによる衝撃波変調~波面消失原理実証と応用展開

研究課題

研究課題/領域番号 21H04589
研究種目

基盤研究(A)

配分区分補助金
応募区分一般
審査区分 中区分24:航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野
研究機関名古屋大学

研究代表者

佐宗 章弘  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (40215752)

研究分担者 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)
研究期間 (年度) 2021-04-05 – 2025-03-31
研究課題ステータス 交付 (2024年度)
配分額 *注記
42,380千円 (直接経費: 32,600千円、間接経費: 9,780千円)
2024年度: 7,020千円 (直接経費: 5,400千円、間接経費: 1,620千円)
2023年度: 7,800千円 (直接経費: 6,000千円、間接経費: 1,800千円)
2022年度: 7,150千円 (直接経費: 5,500千円、間接経費: 1,650千円)
2021年度: 20,410千円 (直接経費: 15,700千円、間接経費: 4,710千円)
キーワード衝撃波 / 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
研究開始時の研究の概要

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。

研究実績の概要

衝撃波管実験では、当初予定していた定常循環流れの形成では循環流出入口での流れが複雑になり、想定した流れの形成ができなかったため、対向衝撃波管における2つの隔膜の独立能動破断システムを活用して、高圧‐中圧‐低圧部をこの順序で構成する作動に変更し、中‐低圧部で前方誘起流れ、高‐中圧部で衝撃波を形成し、それらの干渉実験を実施した。試験部として、①マジックオリフィス(単段の衝撃波管を使用)と②断面積が収縮する流路における干渉の実験を実施し、それに応じた数値シミュレーションを実施した。①については、衝撃波マッハ数1.4までの作動条件において高衝撃波マッハ数側で、衝撃波背後圧力低下の効果が得られた。②については、衝撃波の二次元反射の影響で一次元流れとは異なる現象が確認された。屋内自由空間における実験では、前方流速場と衝撃波の干渉に関する風洞実験を実施した。その結果、前方流速場により衝撃波強度が弱まる可能性が示唆された。また、平面衝撃波・一様等方性乱流干渉の直接数値計算データベースについて、乱流と干渉した衝撃波の局所形状を平均曲率・ガウス曲率により評価し、形状と衝撃波強度の関係を明らかにした。衝撃波面の光学可視化診断については、マッハ数1.03 程度で空気中を伝播する衝撃波と噴流との干渉場を背景設置型シュリーレン法(BOS 法)によって計測することができた。また、噴流との干渉により変形した衝撃波面の位置によって圧力測定値に差が生じることが確かめられた。数値実験に関しては、微弱衝撃波(衝撃波マッハ1.01)を拡散させず、かつ低コストで解像する新しい流体計算法(MUSCL-THINC-p-rho、略称"T-MUSCL")を提案した。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の目途をつけ、応用展開の足掛かりを構築した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

実験装置系の整備がほぼ完了し、有望な成果が出始めている。また、数値流体力学として、弱い衝撃波の波面もシャープに捕捉できる新しいスキームを考案して、有効性を検証するなど、当初の想定を超える成果も得られた。

今後の研究の推進方策

最終年度として、これまでの研究成果を更に深化させるとともに、成果の取りまとめと発信に注力する。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継続して実施する。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、「時間差干渉」の概念をより活かした方策を追求する。屋内自由空間における実験では、ファンの吸い込みにより生成される前方流速場と球面衝撃波の干渉実験を行い、低速前方流速による弱い衝撃波の消失を調査する。衝撃波面の光学可視化診断については、これまでに開発した多方向同時計測システムを利用して、大気中を伝播する弱い衝撃波と擾乱との非定常干渉場に対する4次元系計測を実施し、衝撃波消失現象に対する実験データを蓄積する。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ハイブリッド法を開発したが、その更なる高度化を図る。また、直接数値計算データベースを用いてヘルムホルツ分解により衝撃波の圧縮に関わる速度成分を抽出し、衝撃波変形により衝撃波強度の変動が生じるメカニズムを明らかにする。

報告書

(4件)
  • 2023 実績報告書
  • 2022 実績報告書
  • 2021 審査結果の所見   実績報告書
  • 研究成果

    (39件)

すべて 2023 2022 2021

すべて 雑誌論文 (9件) (うち査読あり 9件) 学会発表 (30件) (うち国際学会 7件)

  • [雑誌論文] Local geometry of a weak normal shock wave interacting with turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      A. Kusuhata, K. Tanaka, T. Watanabe, K. Nagata, A. Sasoh
    • 雑誌名

      Physics of Fluids

      巻: 35 号: 8 ページ: 086110-086110

    • DOI

      10.1063/5.0158309

    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Investigation on Applying an InGaN Photocathode with Negative Electron Affinity for Electric Propulsion2023

    • 著者名/発表者名
      Yusuke INOUE, Tomohiro NISHITANI,, Anna HONDA, Daiki SATO, Haruka SHIKANO, Atsushi KOIZUMI, Yoshio HONDA, Daisuke ICHIHARA, and Akihiro SASOH
    • 雑誌名

      TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES

      巻: 66 号: 1 ページ: 10-13

    • DOI

      10.2322/tjsass.66.10

    • ISSN
      0549-3811, 2189-4205
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Geometrical matching in remote in-tube shock compression by an unsteady jet2022

    • 著者名/発表者名
      D. Ichihara, D. Kuwabara, D. Moriyama, Y. Nakamura, A. Iwakawa,A. Sasoh
    • 雑誌名

      Shock Waves

      巻: 32 号: 4 ページ: 373-381

    • DOI

      10.1007/s00193-022-01079-1

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Transition to Weak-Shock Solution Around Centerbody Using Laser Energy Deposition2022

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Asai, Yusuke Nakamura, and Akihiro Sasoh
    • 雑誌名

      AIAA JOURNAL

      巻: 60 号: 11 ページ: 6270-6276

    • DOI

      10.2514/1.j061785

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Petal formation law in a cellophane diaphragm subjected to a pressure difference2022

    • 著者名/発表者名
      Gaku Fukushima , Jun Hagiwara, Yusuke Nakamura , and Akihiro Sasoh
    • 雑誌名

      PHYSICAL REVIEW E

      巻: 106 号: 4 ページ: 1-5

    • DOI

      10.1103/physreve.106.l043001

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Impacts of grid turbulence on the side projection of planar shock waves2021

    • 著者名/発表者名
      G.Fukushima, S. Ogawa, J. Wei, Y. Nakamura, and A. Sasoh
    • 雑誌名

      Shock Waves

      巻: 31 号: 2 ページ: 101-115

    • DOI

      10.1007/s00193-021-01000-2

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Losing the shock wave front profile due to interaction with turbulence2021

    • 著者名/発表者名
      Fukushima, Gaku; Wei, Jiaxi; Ogawa, Shingo; Hagiwara, Jun; Nakamura, Yusuke; Sasoh, Akihiro
    • 雑誌名

      Fluid Dynamics Research

      巻: 53 号: 2 ページ: 025504-025504

    • DOI

      10.1088/1873-7005/abeda4

    • NAID

      120007169520

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Coupling analysis of unsteady aerodynamics and vehicle behavior with road input: Modeling and verification in road tests2021

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro MAEDA, Daisuke TSUBAKINO, Susumu HARA and Akihiro SASOH
    • 雑誌名

      Mechanical Engineering Journal

      巻: 8 号: 4 ページ: 21-00095-21-00095

    • DOI

      10.1299/mej.21-00095

    • NAID

      130008074726

    • ISSN
      2187-9745
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Thrust Density Enhancement in an Electrostatic-Magnetic Hybrid Thruster2021

    • 著者名/発表者名
      Daisuke Ichihara, Koichiro Oka, Ayumi Higo, Yusuke Nakamura, Kiyoshi Kinefuchi and Akihiro Sasoh
    • 雑誌名

      JOURNAL OF PROPULSION AND POWER

      巻: 37 号: 6 ページ: 973-976

    • DOI

      10.2514/1.b38480

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Shock Wave Mitigation due to Forward Flow Nudge2023

    • 著者名/発表者名
      Shigeta Naotaka, Fukushima Gaku, Yamaguchi Tuski, Hagiwara Jun, Custodio Daniel, Nakamura Yusuke, Sasoh Akihiro
    • 学会等名
      International Symposium on Shock Wave(ISSW)2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 静電・電磁複合加速における"Stagnant Ring"の効果2023

    • 著者名/発表者名
      中野 僚太, 市原 大輔, 佐宗 章弘
    • 学会等名
      第67回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 乱流中を伝播する垂直衝撃波の背後誘起速度に対する局所形状の影響2023

    • 著者名/発表者名
      楠畑 天音、田中 健人、渡邉 智昭、長田 孝二、佐宗 章弘
    • 学会等名
      第37回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] アルゴン推進剤による静電/電磁複合推進機の推力性能向上2023

    • 著者名/発表者名
      中野 僚太、佐宗 章弘
    • 学会等名
      2023年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 「マジックフェンス」を通した衝撃波の緩和2023

    • 著者名/発表者名
      山口月、重田直賢、木村成将、萩原淳、Custodio Daniel、中村友祐、佐宗章弘、福嶋岳
    • 学会等名
      2023年度 衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 収縮流路内における前方準定常流れによる衝撃波の変調2023

    • 著者名/発表者名
      重田直賢、Daniel Custodio、萩原淳、山口月、木村成将、福 嶋岳、中村友祐、佐宗章弘
    • 学会等名
      2023年度 衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 「マジックオリフィス」:衝撃波管端での無反射条件2023

    • 著者名/発表者名
      萩原淳、重田直賢、山口月、Daniel Custodio、木村成将、中村友祐、佐宗章弘
    • 学会等名
      2023年度 衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] 衝撃波の多孔質側壁による変調2023

    • 著者名/発表者名
      Daniel Custodio、重田直賢、萩原淳、山口月、木村成将、中 村友祐、佐宗章弘、福嶋岳
    • 学会等名
      2023年度 衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
  • [学会発表] Improvement of Very Weak Shock Capturing Using Hybrid MUSCL-THINC2023

    • 著者名/発表者名
      Fukushima, G., Kitamura, K., and Sasoh, A
    • 学会等名
      International Symposium on Shock Wave(ISSW)2023
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] The change in shock wave strength by interaction with turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      A. Kusuhata, K. Tanaka, T. Watanabe, K. Nagata, and A. Sasoh
    • 学会等名
      The 33rd International Symposium on Transport Phenomena
    • 関連する報告書
      2023 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] ハイブリッドMUSCL-THINC法による圧縮性流体計算性能の向上2023

    • 著者名/発表者名
      福嶋 岳 , 北村圭一, 佐宗 章弘
    • 学会等名
      2022年度衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 乱流と干渉した垂直衝撃波の形状と強度の変化2023

    • 著者名/発表者名
      楠畑天音、田中健人、渡邊智昭、長田孝二、佐宗章弘
    • 学会等名
      2022年度衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 衝撃波と「マジックフェンス」の干渉実験2023

    • 著者名/発表者名
      山口月、重田直賢、福嶋岳、クストディオダニエル、 萩原淳、中村友祐、佐宗章弘
    • 学会等名
      2022年度衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 前方流速場nudgeと衝撃波の干渉実験2023

    • 著者名/発表者名
      重田直賢、福嶋岳、山口月、クストディオダニエル、 萩原淳、中村友祐、佐宗章弘
    • 学会等名
      2022年度衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 静電・電磁複合推進機の放電・推力性能に対する陽極先端凸部の効果2023

    • 著者名/発表者名
      中野 僚太、市原 大輔、De Celis Romero Alberto、高原 虎太郎、佐宗 章弘
    • 学会等名
      令和4年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 微弱衝撃波をシャープに捉えるハイブリッドMUSCL-THINC法2022

    • 著者名/発表者名
      福嶋 岳 , 北村圭一, 佐宗 章弘
    • 学会等名
      第36回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] On Peculiar Behaviors of Captured Very-Weak Moving Shockwaves2022

    • 著者名/発表者名
      福嶋 岳 , 北村圭一, 佐宗 章弘
    • 学会等名
      AIAA AVIATION 2022 Forum
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DNS Study of the Deformation of a Planar Shock Wave Interacting with Turbulence2022

    • 著者名/発表者名
      A. Kusuhata, K. Tanaka, T. Tomoaki, K. Nagata, and A. Sasoh
    • 学会等名
      The 2022 Asia-Pacific International Symposium on Aerospace Technology
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 名古屋大学飛行性能評価風洞を用いた衝撃波・乱流干渉実験2022

    • 著者名/発表者名
      加藤龍介、前田大河、渡邊智昭、長田孝二、市原大輔、佐宗章弘
    • 学会等名
      第54回流体力学講演会 / 第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 衝撃波・乱流干渉実験のための電磁弁を用いた無隔膜衝撃波管の開発2022

    • 著者名/発表者名
      前田大河、猪熊建登、渡邊智昭、長田孝二、佐宗章弘
    • 学会等名
      第54回流体力学講演会 / 第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 乱流と干渉した垂直衝撃波の局所形状と強度の数値解析2022

    • 著者名/発表者名
      楠畑天音、田中健人、渡邊智昭、長田孝二、佐宗章弘
    • 学会等名
      第54回流体力学講演会 / 第40回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 乱流の干渉による衝撃波背後圧力の変調に及ぼす前方流速の影響2022

    • 著者名/発表者名
      前田大河、加藤龍介、羽根田萌生、渡邊智昭、長田孝二、佐宗章弘
    • 学会等名
      第20回日本流体力学会中部支部講演
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 静電・電磁複合イオン加速における陽極形状および磁場分布によるNear Anode Ionization効果の向上2022

    • 著者名/発表者名
      中野 僚太, 市原 大輔, De Celis Romero Alberto, 高原 虎太郎, 佐宗 章弘
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Design criteria for electrostatic-magnetic hybrid ion acceleration2022

    • 著者名/発表者名
      Akihiro Sasoh, Daisuke Ichihara, Ryota Nakano, Yusuke Nakamura, and Kiyoshi Kinefuchi
    • 学会等名
      International Electric Propulsion Conference 2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 金属のアブレーション力積におけるエネルギープロファイル依存性2022

    • 著者名/発表者名
      中村 友祐, 森山 大地, 磯村 厚志, 佐宗 章弘(名大), 津野 克 彦, 小川 貴代, 和田 智之(理化学研究所), 福島 忠徳(スカパー JSAT)
    • 学会等名
      第66回宇宙科学技術連合講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Moderation of Shock Wave Profile in Grid Turbulence2021

    • 著者名/発表者名
      Gaku Fukushima, Shingo Ogawa, Jiaxi Wei, Jun Hagiwara, Yusuke Nakamura, Akihiro Sasoh
    • 学会等名
      AIAA AVIATION 2021 FORUM
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 衝撃波管におけるセロハン隔膜の細分化則と衝撃波形成への影響2021

    • 著者名/発表者名
      福嶋岳,萩原淳,中村友祐,佐宗章弘
    • 学会等名
      2021年度衝撃波シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 弱い移動衝撃波の捕獲における数値的課題2021

    • 著者名/発表者名
      福嶋岳、北村圭一、佐宗章弘
    • 学会等名
      第35回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 電気フューズ装置におけるエネルギー変換効率の定量評価と電気推進機への技術転用検討2021

    • 著者名/発表者名
      市原大輔,福嶋岳,桑原大輔,佐宗章弘
    • 学会等名
      2021年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 発散磁場型静電・電磁複合加速推進機のデザインポイント2021

    • 著者名/発表者名
      市原大輔,中野僚太,森田将司,De Celis Romero Alberto,中村友祐,杵淵紀世志,佐宗章弘
    • 学会等名
      2021年度 宇宙輸送シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書

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公開日: 2021-04-28   更新日: 2024-12-25  

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