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NWTを用いた非平衡実在気体に関するCFD技術
航空宇宙技術研究所 流体科学研究センター
黒滝 卓司
１．はじめに
化学反応を含む非平衡実在気体のCFD技術は、主として大気圏再突入を伴う宇宙往還機の開発にとって 重要であり、１９８０年代半ば頃より、活発に研究成果が発表されるようになった。これらの研究が可能
になった背景としては、極超音速流に適したスキームの開発や物理モデルの定式化等理論面の発展はもち ろんであるが、NWTに代表される大型計算機の高速化、高容量化による寄与が大きい。
ここでは、航技研で導入したNWTを用いたCFD解析の成果として、３次元非平衡実在気体解析コードの 解析例と、有限触媒性を考慮した高精度空力加熱解析技術を取りあげる。
２．３次元非平衡実在気体解析コードの開発
非平衡実在気体解析では、一般に反応化学種ごとに連続方程式を解く必要があり、また並進、振動等各エ ネルギーモードを考慮するため、通常の完全気体解析に比べ、メモリー使用量が大きくかつ計算時間も大き
い。従って、実用計算を想定した場合、NWT規模の大型計算機が必要となる。
我々は、１９９７年から９８年にかけて、NWTでの使用を想定した３次元非平衡実在気体解析コードを開 発し、実用形状でのさまざまな流れの問題に適用した。このコードでは、基礎方程式系として化学的及び熱的
非平衡を考慮した３次元Fullナビエ-ストークス方程式、気体モデルとして7成分18反応空気モデル ( O2, N2, O, N, NO, NO+, e- )
を用いている。非平衡を記述するための物理モデルとして、解離反応速度に及ぼす分子 振動緩和の影響を入れるためParkの２温度モデルを、また、分子振動緩和時間のモデル化にはSSH理論を使用
している。対流項の定式化には、和田らによって構築されたAUSMDVスキームを非平衡流に拡張したものを適用 している。
以上の内容で構成された解析コードは、地球周回軌道からの往還機再突入時の熱環境をシミュレートする ための必要最小限な物理モデルを含んでおり、Parkモデルというシンプルな物理モデルを中心に記述されてい
るため、３次元問題においても計算速度等実用性の面で比較的扱いやすい。
図１に、解析例として、HOPE-X０７形状周りのオイルフローパターンを示す。これらの一連の解析では、 ３分力の風試との比較も試みており、良好な一致が得られた。特に、極超音速においては強い粘性干渉効果に
より抵抗係数の推算が難しいとされているが、図２に示すように、風試結果との比較においてほぼ妥当な結果 が得られている1)。これらの解析例での格子点数は約１００万点（約２０PE）である。
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３．有限触媒性を考慮した高精度空力加熱解析技術
地球周回軌道からの大気圏再突入を想定した往還機の場合、厳しい空力加熱から機体を護るために、低触 媒を特徴とするシリカ等の材料やグラスコーティングを施したC/C材等を用いることが多い。ここで言う触媒
性とは、衝撃波後方で解離反応により生じた酸素、窒素原子が機体表面でもとの酸素、窒素分子等に再結合す る性質を意味し、たとえわずかであっても、この有限触媒反応があると機体の空力加熱に大きな影響を与える
ことはよく知られている。
特に、今後開発される可能性のある将来型再使用往還機では、機体の軽量化が最重要課題の一つであり、機 体重量のかなりの部分を占める熱防護材の軽減化を図るためには、有限触媒性に関する特性やメカニズムを把
握し、より高精度な再突入時空力加熱の推算を行うことが必要とされる。
我々は、有限触媒性の理論モデルを構築し、これをCFD解析コードに組み込むことにより、OREXの淀み点空 力加熱のフライトデータの再現を試みた2)。理論モデルの構築の際には、物理定数の同定のために多大な数値
実験が必要となるが、これには軸対称実在気体解析コードを使用し、個々の計算規模としては格子点数１万点 程度と小さいが、のべ１０００ケース程度の解析を実施した。図３に、OREXの酸素原子の質量分率分布の履歴、
図４に、淀み点における空力加熱のフライトデータとの比較を示す。適切な物理的なパラメータを選択すること により、フライトデータがほぼ再現することができる。
現在、このモデルを用いて、３次元形状を含む空力加熱の推算、実験との対応解析等を広範囲に実施中である。
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参考文献
- T. Kurotaki；Estimation of Aerodynamic Characteristics around HOPE-X by Non-equilibrium
CFD Analysis, NAL Research Progress 1998〜2000, 2001, pp.36〜37.
- T. Kurotaki；Construction of Catalytic Model on SiO2-Based Surface and Application
to Real Trajectory, AIAA Paper 2000-2366, 2000.
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