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超音速輸送機は、超音速飛行を洋上に限ることで、ソニックブームによる地上環境への影響を回避することができると考えられている。しかし、洋上で発生した衝撃波あるいはソニックブームが海面に達したときの海洋環境への影響については明らかにされていない。「水面上を伝播する衝撃波によって誘起される水中の圧力場」の特性が流体力学的に明らかにされれば、その評価のための基礎データを与えることになると期待される。本研究では、気液分離層における気相衝撃波の伝播特性に関する実験および数値解析を行った。
実験では、衝撃波管によって発生させた垂直衝撃波を測定部水槽水面上を平行に入射させた。その結果、1)水面での波浪の形成は衝撃波通過後はるかに遅れ、衝撃波通過の時間スケールでは気相衝撃波は水面の存在にはほとんど影響を受けずに伝播すること、2)液相には、気相での衝撃波到着前から圧力振動(先行波)が発生し、この圧力振動が気相衝撃波通過に伴う水圧上昇(主波)と重なり非常に強い圧力変動となりうること、3)その特性には液相の音速と水深が大きく関与すること、が明らかになった。
数値解析ではCIP-CUP法による気液二相一体化解析コードを開発し解析を行った。その結果、1)水中圧力変動が再現され、実験と定性的な一致をみたこと、2)水中圧力場の形成には水槽壁面での反射条件が重要であること、3)定量的一致をみるためには、水の媒質としてのモデル、特に音速の評価が重要であること、が明らかになった。
本研究の結果において、水面上の衝撃波伝播によって少なくとも気相と同程度の大きさの圧力変動が水中に誘起・持続されることが示され、超音速機に関する環境問題では、水中の圧力場も評価の対象として検討する必要があることが結論づけられた。
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