Surface icing and phase change of water in hypersonic flow

高超声速流中水的表面结冰和相变

基本信息

批准号：
21K18777
负责人：
渡邉保真
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Toyota Technological Institute (2022)The University of Tokyo (2021)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-07-09 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K18777/
关键词：
極超音速相変化極超音速機着氷

项目摘要

令和4年度は主として極超音速気流中での水の相変化に対する基礎特性の実験的解明，および，航空機を模したダイヤ型模型表面周りでの着氷特性計測について実験計測及び数値解析モデルの構築を実施した．航空機表面における着氷現象と，それに伴う機体形状の変化は航空機の空気力学的特性低下に大いに影響し安全性に直結する問題である．本研究では将来型宇宙往還機や極超音速旅客機における機体表面での水の相変化と着氷に関する基礎研究を実施した．高速航空機の巡航速度域である極超音速流れにおいて，昨年度に引き続き航空機の簡易形状としてダイヤ型模型を製作し，その周囲に形成される衝撃波・膨張波を伴う温度・圧力の急激な変化を伴う流れ場において，水の相変化を計測調査した．東京大学柏極超音速高エンタルピー風洞において，マッハ数7.0，よどみ点温度約600Kの気流中に頂角20度のダイヤ型模型を設置し，その表面に投入した液体の水が高速流れ，特に衝撃波・膨張波と干渉しつつ下流側で着氷となる際の液滴分布及び氷結晶分布を散乱光計測およびシュリーレン法等の光学計測により測定した．本現象における気体・液体・個体の水の挙動を解明するため，気体の水についてはNavier-Stokes方程式に基づく空気と水の流れ場について解析を行い，液滴の挙動については粒子法を応用した挙動解析モデルをたて，液相と周囲の高速流（気相）が液滴への抗力を相互作用として連成したモデルにより解析を実施した．解析により得られた液滴分布は実験計測結果と定性的に良い一致を示し，極超音速流れと強く干渉しながら移流しつつ急激な温度変化を経ることが判明した．実験と解析を通し，極超音速流れでの着氷現象においては比較的狭い領域で急速な相変化と着氷の発生が示唆された．

2020财年，我们将主要进行实验测量和开发数值分析模型，以实验阐明高超音速气流中水相变化的基本特征，并对菱形飞机模型表面周围的结冰特征进行测量构建。飞机表面结冰以及由此引起的飞机形状变化极大地影响飞机的气动特性，是直接关系到安全的问题。在这项研究中，我们对未来航天器和高超音速客机表面水的相变和结冰进行了基础研究。在高超音速流，即高速飞机的巡航速度范围，我们从去年开始继续创建菱形模型作为飞机的简化形状，伴随着温度和压力的快速变化，并伴随着冲击波我们测量并研究了流场中水的相变。东京大学柏高超音速高焓风洞中，在马赫数7.0、驻点温度约600K的气流中安装了顶角20度的菱形模型，喷射到其表面的液态水会高速流动，尤其是冲击波。・利用散射光测量和纹影法等光学测量，一边干扰膨胀波，一边测量下游侧结冰时的水滴分布和冰晶分布。为了阐明这种现象中气态、液态和固态水的行为，我们基于气态水的纳维-斯托克斯方程分析了空气和水的流场，并应用粒子法研究了液滴的行为。创建了行为分析模型，并使用液相和周围高速流（气相）与液滴上的拖曳力相互作用的模型进行了分析。分析得到的液滴分布与实验测量结果具有良好的定性一致性，发现液滴在平流运动时温度发生快速变化，对高超声速流产生强烈干扰。通过实验和分析表明，高超声速流结冰现象中，快速相变和结冰是在相对狭窄的区域内发生的。