2018 Fiscal Year Annual Research Report
Model construction for compressible multiphase flow and elucidation of particle effects based on numerical and experimental studies on flow around a sphere
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18J11205
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
永田 貴之 東北大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2020-03-31
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| Keywords | 球周り流れ / 圧縮性流れ / 低Reynolds数流れ / 直接数値解析 / 圧縮性混相流 / 衝撃波管 / 弾道飛行試験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
圧縮性Navier-Stokes方程式の直接数値解析と弾道飛行装置による弾道飛行試験，及び衝撃波管を用いた球-平面衝撃波干渉実験により，圧縮性低Reynolds数における球周り流れの特性を調べた．
直接数値解析による研究では，主流に対して垂直方向に回転軸を持つ回転球周りの流れについて，Reynolds数100-300, Mach数0.2-2.0, 無次元回転速度0-1.0の条件で，渦構造や空力係数，壁面応力を調べた．回転による揚力は，Mach数の増加により抑制されることを明らかにし，非圧縮性の混相流では粒子の回転による揚力が粒子クラスタの分散を促進するのに対して，圧縮性流れでは粒子クラスタが維持されやすく高密度の粒子クラスタが形成される可能性を示唆した．
バリスティックレンジを用いた弾道飛行実験では，Reynolds数3.8 × 10^3-1.0 × 10^5, Mach数0.9-1.5の条件で自由飛行する球周りの流れをシュリーレン法により可視化し，後流渦の構造や再循環領域の長さ，衝撃波離脱距離を調べた．この試験で得られた時間平均場とReynolds数1000以下のDNSのデータから，Reynolds数1,000-3,000付近に再循環領域長さの変曲点の存在を示し，その条件で流れの様相が大きく変化する可能性を示唆した．また，可視化画像に対して特異値分解を応用し，ノイズが強く不鮮明な画像から流れ場のモードを抽出することに成功した．加えて，より低Reynolds数で試験を行うために衝撃波管による球-平面衝撃波干渉実験の実験系確立とそれを用いた流れの可視化，抵抗係数推定を行った．弾道飛行試験と異なり，光学ガラス上の境界層のパターンにより特に球が小さい場合に球後流の可視化が困難なことが分かったが，断層シュリーレン法を用て解決可能と考えている．抵抗係数は問題なく取得できており，継続して実験を行う予定である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
弾道飛行装置による実験は予定通り進展し，成果を学術誌に投稿・査読中である．加えて，衝撃波管を用いた球-衝撃波干渉実験により弾道飛行試験よりもさらにReynolds数を下げた実験も行った．
一方，直接数値解析による研究では，高温・低温球周り流れの解析，回転球周りの解析を行いその成果は学術雑誌に掲載済みだが，今年度行う予定だった剪断流中の球周り流れの解析については数値振動などの問題と計算リソースの問題から計算の開始が年度末までずれ込んだ．また，弾道飛行装置や衝撃波管を用いた実験に想定以上に時間を消費したため，DNSデータベースを用いた熱伝達モデルの構築には至っていない．粒子抵抗モデルに関しては既存のモデルを改良したモデルを構築している段階にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
実施が遅れた剪断流中の球周り流れの解析を極力早い段階で完了し，DNSデータベースを用いて粒子の挙動を記述するモデルを構築する．構築したモデルを用いた混相流解析の実施は計算時間の観点から難しいため，既存のモデルと性質を比較することによって新たに構築したモデルの性質を検討する．
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Research Products
(6 results)
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[Presentation] Schlieren visualization of transonic and supersonic flow over a sphere at Reynolds number between 10^3 and 10^5 through free-flight tests2019
Author(s)
Nagata, T., Noguchi, A., Nonomura, T., Ogawa, T., Ohtani, K., and Asai, K.
Organizer
57th AIAA Aerospace Sciences Meeting
Int'l Joint Research
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