衝撃波の干渉を伴う超音速遷移/乱流境界層に関する直接数値シミュレーションによる研究

摘要

スペースプレーンに用いられるスクラム／ラムジェットエンジンや超音速機ターボジェットエンジンの空気取入口 ( インテーク ) において，インテーク内の高速流れの中に発生する衝撃波の挙動がエンジンの性能に重大な影響を与える．一方，SRB ( Solid Rocket Booster：固体補助ロケット ) を有するロケットなどでは，打ち上げの際にSRBから生じた衝撃波がロケット本体表面に発達した境界層に入射することによって，局所的な圧力上昇や空力加熱が引き起こされることが知られている．このように，超音速や極超音速で飛行する飛翔体などでは，飛翔体表面で発達する境界層と衝撃波との干渉が起こり，局所的な加熱や境界層剥離などが生じて飛翔体の飛行特性を著しく変化させる．さらに，衝撃波の低周波振動による航空機機体の疲労損傷なども重要な問題である．衝撃波/境界層干渉は航空宇宙工学において古くから注目されている未解明な基本的問題の一つであり、干渉機構の詳細が解明されることによる研究成果の波及効果は大きい．衝撃波/境界層干渉の研究は大きく分けると圧縮ランプによるものと入射衝撃波発生機器によって衝撃波発生させるという二つのケース分けることができ，これまでの研究では，実験の容易さから前者のケースが多く行われてきた．一方，後者においては、これまでに行われてきた入射衝撃波発生機器による研究は，ほとんどが衝撃波/層流境界層干渉もしくは衝撃波/乱流境界層干渉のどちらかであり，インテーク内の高速流れは層流－乱流遷移状態が存在するにもかかわらず，衝撃波と干渉する層流境界層の乱流遷移について調べた研究はこれまでのところほとんど行われていない．このような背景のもと，本研究では主流マッハ数2.0における衝撃波と乱流遷移境界層の干渉を対象とし，剥離を伴う超音速境界層流れが持つ不安定性及びその結果から得られる不安定波の非線形発達に伴う乱流遷移構造ならびに乱流遷移とショックシステムとの関係を，圧縮性粘性線形解析および高解像度空間発展直接数値シミュレーション ( DNS ) を用いて研究した結果について報告する．最初に，広い波数帯にエネルギーをもつ，一様等方的ランダム撹乱を比較的大きな振幅で流入したDNS を行うことで，剥離領域における撹乱の挙動について把握および剥離を伴う超音速境界層における乱流遷移の特徴について考察した．ここでは，比較的大きな撹乱を与えた場合であっても剥離を伴うような超音速境界層の乱流遷移においては，干渉領域で ( 1,1 )，( 0,2 ) といった斜行波対による遷移に関連する成分の成長率が上流の点よりも大きくなっていることを示し，また，これらの不安定波の成長により干渉領域において特徴的な渦構造およびトポロジー構造が観測された．線形安定性解析では，衝撃波を伴う超音速境界層に対する不安定撹乱を得るための線形安定性方程式をChebyshev級数を用いたスペクトル法により計算した．二次元，三次元波どちらの不安定波についても衝撃波を伴わないケースに比べ剥離領域では大きな成長率を示していることを確認でき，三次元波ではその傾向が顕著に表れることを確認した．すなわち，剥離領域では斜行波による遷移が優勢であることが推測された．また，圧縮性粘性線形解析の結果と二次元衝撃波/境界層DNSの結果を比較することで，線形解析の有効性を議論し，さらに，剥離領域における不安定波の非定常構造に対する役割についても示した．線形解析で得られた不安定モードは，三次元衝撃波/境界層DNSによってその剥離領域における非線形発達を追い，干渉領域での乱流遷移構造および剥離泡内のトポロジー構造に対する二次元，三次元モードの役割を調べた．ここでは，干渉領域における三次元構造について示し，剥離泡内のCenter構造が不安定波により下流へと押し流され，再付着領域に近づくとFocus構造へと変化し，この変化により流れ場に強い変動が生成され乱流遷移が促進されていることが確認された．また，このFocus構造は，Perry & Chong ( 1986, 1987 ) によって明らかにされたU-Shaped separation構造とよく類似しており，三次元不安定波とU-Shaped separationに深い関係性があることを示唆した．本研究は衝撃波を伴うような流れについては現時点での先端的スキーム ( 5次精度散逸コンパクトスキーム，6次精度コンパクトスキーム，4段階4次精度ルンゲクッタ ) および線形安定性解析を行い，衝撃波による剥離を伴う超音速境界層の乱流遷移構造を明らかにした．そして，剥離を伴う超音速境界層における不安定モードの非線形発達との関係を明らかにしたことにより，依然未解明点の多い超音速境界層の遷移形態の理解に対し１つの指針を与える．