Investigation of Surface Roughness Dependence on Rarefied Aerodynamics based on Hypersonic Rarefied Wind Tunnel Measurement and Molecular Dynamics Simulations

基于高超声速稀薄风洞测量和分子动力学模拟的表面粗糙度对稀薄空气动力学的依赖性研究

基本信息

批准号：
21K04487
负责人：
小澤宇志
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、極超音速希薄風洞実験と粒子数値解析・MD解析を行うことにより、極超音速希薄気体空力現象の計測手法を確立し、物質表面係数及び希薄空力の表面粗さ依存性を評価することによる希薄空力予測精度の向上を目的とする。MD解析によりミクロな視点で表面粗さ依存性現象を解明するとともに、極超音速希薄空力計測(希薄風洞計測と粒子数値解析を融合した手法)によりマクロな表面係数依存性を解明する。さらに、得られたデータを用いてより正確で新しい表面モデルを構築することで、数値解析による希薄空力予測精度を向上させ、大気突入カプセルや超低高度衛星等の軌道制御システムの信頼性の向上を目指すものである。今年度の主な研究の成果を以下に示す。1. 昨年度解析により最適化した透過型チューブ模型を製作し、表面係数の物質依存性・表面粗さ依存性を検証した。拡散反射比が高い解析結果と一致が見られたが、物質・表面粗さ依存性による変化は見られなかった。2. LAMMPS MDコードとナノ材料解析統合GUIソフトを組合せたMD表面反射解析コードを開発し、極超音速希薄風洞環境を模擬して表面凹凸表面における粒子表面衝突システムを構築した。今後は、ポテンシャル依存性を検証していくとともに、表面粗さ・表面加工による影響を検証していく予定である。3. 表面加工による影響評価に向けてDSMC解析コードを拡張した。今後、物質依存性・表面粗さ依存性を数値解析結果と比較検証していくとともに、表面加工が表面係数に与える影響を検証していく。

本研究通过进行高超声速稀气风洞实验和粒子数值分析/MD分析，建立高超声速稀气气动现象的测量方法，评估材料表面系数和稀气动力学的表面粗糙度依赖性，旨在提高稀气动力学的精度。空气动力学预测我们将使用MD分析从微观角度阐明表面粗糙度依赖性现象，并使用高超声速稀空气动力测量（一种结合稀风洞测量和粒子数值分析的方法）阐明宏观表面系数依赖性。此外，通过利用获得的数据建立新的、更精确的表面模型，我们将通过数值分析提高稀疏空气动力学预测的准确性，并提高大气进入舱和极低空卫星轨道控制系统的可靠性。是为了今年的主要研究成果如下。 1. 我们根据去年的分析创建了优化的透明管模型，并验证了表面系数的材料依赖性和表面粗糙度依赖性。尽管与高漫反射率的分析结果一致，但没有观察到由于材料/表面粗糙度依赖性而产生的变化。 2.开发了MD表面反射分析代码，将LAMMPS MD代码与纳米材料分析集成GUI软件相结合，通过模拟高超声速稀风洞环境，构建了不平坦表面上的颗粒表面碰撞系统。未来，我们计划验证潜在的依赖性以及表面粗糙度和表面处理的影响。 3. 扩展了用于评估表面精加工效果的DSMC分析代码。今后，我们将通过数值分析结果来比较和验证材料依赖性和表面粗糙度依赖性，以及验证表面处理对表面系数的影响。