超音速班
M2 橋爪 見奈
M1 大越 翼, 鈴木 秀太郎, 竹森 和希
B4 窪内 啓太, 西山 莉名, 安田 裕貴, 結縁 千晶
B3 氏平 佳希, 百瀬 晴菜
"日々、研究を楽しむ"
我々人類にはまだまだ未知なる世界が存在します。足を踏み入れることすら困難な宇宙空間や深海、顕微鏡でさえ見ることのできないほど微小な量子力学的スケールを持つ世界など、その枚挙に暇がありません。さまざまな物理現象やその工学応用によって創られる新たな技術が、未だ見ぬ明日への扉を開き、好奇心と探求心を駆り立てます。まさにロマンと言えるでしょう！
18 世紀 英国の産業革命における蒸気機関の発明によって生活環境や文化は加速度的に変化を遂げ、現在に至るまで人類は工業化の道を歩んできました。その基盤とも言える輸送技術の進歩は特に目覚ましく、内部・外部流班の興味対象でもある船舶や鉄道、自動車、航空機を経て、現在では人工衛星や宇宙ステーション建設を目的とした超高速宇宙輸送にまで展開しています。さらに、火星への移住計画やはやぶさに代表される小惑星探査と、未来への道程に世界中の多くの人々が心奪われ関心を寄せています。
我々の班では高速流動現象の物理的な解釈とその工学応用に関して、コンピュータによる解析技術を道具として駆使し、様々な研究課題に取り組んでいます。現在の研究例の一部をご紹介します。
プラズマ分光計測による衝撃波内の輻射加熱の高精度計測
M2 橋爪 見奈, B4 窪内 啓太
(23卒 堀内 涼平, 22卒 安部 翔太)
宇宙飛行士が地球に帰還する際に使用されるカプセルは非常に高速で大気圏に突入することで衝撃波を発生させ、流れ星のように光を放ちます。本研究では、この光がカプセルに与える加熱を詳しく調べるために、アーク加熱風洞と呼ばれる地上実験設備で実際に衝撃波を発生させます。そこで生じた発光を高分解能・広波長域で測定可能な分光機器で計測を行うことで、高精度な加熱率計算を目指しています。昨年度は、プローブヘッドオン分光と呼ばれる、供試体内部にレンズなどの光学系を搭載する方法を用いることで、より高強度な光を捉えることに成功しました。また、はやぶさカプセル模型の背面加熱を調べる実験も行いました。今後は、実験データを用いて、本研究室で開発中の輻射計算コードの精度向上に繋げて行きます。
CY_front_short.mp4アーク加熱風洞で衝撃波を発生させている様子 (JAXA/ISASにて撮影)
Mechelle5000分光器 (左) とiKon-M CCDカメラ (右)
翼型まわりの音響解析に対するSNGRモデルの適用
M1 大越 翼
(23卒 東谷 涼平, 19卒 廣原 和希)
空港周辺の環境課題のひとつとして航空機の騒音問題があります。航空機の騒音は着陸時に翼等から発生する機体騒音と離陸時のエンジン騒音に分けることができます。着陸進入時の音響パワー比の約75%を機体騒音が占めていることが確認されています。従来の数値音響解析手法では膨大な計算時間がかかるため、本研究では比較的に短時間で信頼性の高い音響解析方法の開発と提案を目標としています。
二次元円柱による音波散乱計算の結果
円柱からその直径の6倍の位置で解析解と比較した結果
高速列車における空力ブレーキ装置の抵抗板配置方法の検討
M1 鈴木 秀太郎
近年の鉄道車両の高速化は著しく、その一方でさらなる高速化に伴う安全性の向上が必須となります。特に地震など大規模災害を想定した場合、緊急時の減速機構の開発は非常に大きな課題といえます。従来のディスクブレーキや電気ブレーキなど線路の粘着力 (摩擦力) に頼った制動力に加えて、近年では高速化を逆手にとった空力抵抗による新たな制動方法が注目されています。ところが、これまでに検討された空力ブレーキ装置は大型のもので、客室容量を圧迫した上、重量も増加、また要求される制動力を得ることも困難でした。
本研究では、まずCFD解析を用いて小型の空力抵抗板まわりの流れを数値シミュレーションし、その抵抗生成の流動の様子を理解し知見を深めます。その後、抵抗板のサイズや形状、主流に対する角度による依存性を調査し、複数の小型抵抗板を車両上面へ配置する方法について考察し、高速車両へ要求される制動力の実現可能性を検討します。
ベイズ最適化手法を用いた小型BWB機の形状模索
M1 竹森 和希
(22卒 板谷 匠海, 19卒 唐澤 颯人)
近年進められている脱炭素社会の実現に向けて、より高い機体性能を持つ飛行機が求められており、新たな飛行機形状の研究が進められています。その一つに翼と胴体を一体化した形状を持つ翼胴融合機（Blended Wing Body, BWB）があります。次世代大型機として提唱されている形状であり、従来形状と比べて空力性能と積載体積において強みを持ちます。リージョナル向けに小型化させた場合でもBWB形状が適するのかを検討するため、流体計算と形状最適化を行い、新たなBWB形状を模索しています。
BWB機まわりの流線と圧力分布
航空機開発のための格子ボルツマン法を用いた音響計算コードの開発
B4 西山 莉名
(23卒 久保田 佑弥, 22卒 濱崎 大輝)
航空機の離着陸に起因した環境問題とも認識されている騒音の低減を図るためには、音波の発生と伝播の解析が必要です。しかし、様々な音源から発生する騒音の計算するためには流れから発生する微小な渦とごく僅かな圧力変動である音波の両方を直接計算しなければならず、計算コスト (演算回数と物理メモリ容量) が非常に高くなってしまう。我々のこれまでの研究成果によって必要な計算コストの一部削減には成功したものの、航空機の設計・開発現場に資するツールとするためには更なる計算コストの削減が求められるます。そこで我々の班では、着陸時に機体と気流が干渉して発生する渦が騒音源となる機体騒音の低減を目指し、より低い計算コストとなる格子ボルツマン法を用いたコード開発を進めている。
LES-LBM.mp4LESを使用した二次元円柱周りの圧力攪乱
大気圏突入する宇宙機周りの数値シミュレーション精度向上
B4 安田 裕貴, B3 氏平 佳希
(23卒 浅井 友彰, 20卒 砂辺 一行)
はやぶさ、スペースシャトルといった宇宙機が大気圏に突入する際、空力加熱によって機体は過酷な加熱環境に曝されます。このため、宇宙機はアブレータ等を用いた熱防御設計がなされますが、その際、数値シミュレーション等による加熱量の予測が必須となります。
予測精度を向上させることで大気圏突入時の安全性向上や打上時の重量削減につながります。本研究では、流体と非平衡プラズマ、輻射を結合して数値解析を行うことで、従来法よりも詳細な大気圏突入環境の再現を目指します。特に高度が高く、大気密度が低い環境での予測精度向上を図るために、分子の振動励起非平衡性を考慮した非平衡モデルの構築を進めていく予定です。さらに、解析可能な化学種の種類を増やすことで様々な流れを再現できるよう、計算コードの拡張を進めていきます。
はやぶさカプセルまわりの温度分布の計算結果
NASA Ames 配備の EAST (アーク加熱衝撃波管) 実験での計測スペクトルの再現
直接流束再構築法を用いた流体計算コード構築
B4 結縁 千晶
(23卒 岩田 雄太郎, 22卒 笠石 丈二, 18卒 田村 北斗)
数値流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）は、流体の運動方程式であるNavier-Stokes方程式を近似して計算を行う方法で、コンピューター上で流れを再現することができます。航空機開発ではCFDが重要な役割を担っており、巡行時の空力特性評価のほかにも機体騒音の解析などにも使われています。一方で、複雑な流れの再現や騒音解析には高次精度スキームが必須となります。また、複雑形状まわりのCFDでは形状適合性に優れた非構造格子を用いることが多いです。本研究では、非構造高次精度スキームのひとつである、直接流束再構築法（Direct Flux Reconstruction, DFR法）の計算プログラムの作成を原点として、非構造格子を使用した圧縮性流体計算コードの構築を目指しています。
非構造6面体格子を用いたsin波の3次元移流計算
計算結果と厳密解の比較 (3次元移流計算のx=y=0.5線上のz方向分布)
極超音速流内おける楕円錐模型周りの全体安定性解析
B3 百瀬 晴菜
(21卒 青景 壮真)
大気圏高高度を極超音速で飛行する旅客機の実現を目指してHIFiREという国際研究開発プロジェクトが進められています。世界中の極超音速風洞で空力加熱試験と数値解析が実施され、模擬飛行試験も行われています。超高速飛行中の機体前方には衝撃波が形成され、飛行条件によっては境界層が剥離または乱流化することもあります。その場合、高温衝撃層内の流体が乱流輸送によって壁面を著しく加熱するため、乱流状態へ遷移する位置を知ることは熱防御対策の根幹を成し極めて重要です。本研究では乱流へ繋がる流体不安定性の原因を、全体安定性解析と呼ばれる手法などを用い、擾乱成長を追跡することで考察しています。
楕円錐模型周りの壁面加熱率分布とマッハ数分布
境界層厚さ約90%位置における最大固有値に対する温度擾乱の固有モード分布(上図)と実験における壁面加熱率分布(下図)
2024年度 研究紹介ポスター (TBD)
