JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2022年2月～2023年1月)

報告書番号: R22JDU10300

利用分野: 宇宙科学

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• 責任者: 澤井秀次郎, 宇宙科学研究所宇宙飛翔工学研究系
• 問い合せ先: 永田 靖典(nagata.yasunori@jaxa.jp)
• メンバ: 永田 靖典, 阿部 幸司, 小山 颯大, 佐藤 立樹, 竜田 響

事業概要

はやぶさサンプルリターンカプセルのような大気圏突入カプセルでは, 高速度で大気圏に突入する際に, 空力加熱をはじめとしたさまざまな流体現象が発生し, これを適切に予測することがカプセルの設計上重要である. 本研究では, 大気圏突入カプセルの熱流体解析を実施し, さまざまな現象把握を進めている. 具体的には, (1)展開型柔軟エアロシェルのフライト実験機の熱空力環境予測, (2)膨張波管実験におけるカプセル型模型の熱空力環境の推定, (3)MHD相互作用効果に関する流体現象の把握, を進めている.

参照URL

なし

JAXAスーパーコンピュータを使用する理由と利点

極超音速で飛行する大気圏突入カプセル周りの流体解析を適切に実施するためには, 物体適合構造格子を用いて, 高品質の計算格子を用いる必要がある. ISVソフトウェアとして提供されているPointwiseは, 物体に沿った計算格子を生成できるだけでなく, 計算格子の調整も柔軟に行うことが可能であり, 格子生成に要する時間を大幅に短縮することができる. 特に, 比較的複雑な形状の展開型柔軟エアロシェルのカプセルに対しても, Pointwiseの強力なスムージング機能により高品質の計算格子を生成することができる.

今年度の成果

(1)について, 2021年に実施した展開型柔軟エアロシェルのフライト実験での熱環境を模擬するために, 2次元軸対称熱流体解析を実施し, 空力加熱量を見積もった(図1). 見積もられたよどみ点熱流束は, 経験式で予測される値に対して30～45%程度と低いが, 温度センサのフライトデータを考慮すると, 妥当と考えられる. 温度データの再現を目指して, 熱環境のモデル化を進めていく.

(2)について, 膨張波管は高速・高エンタルピー気流を生成可能な実験装置であり, 大気圏突入飛行環境を模擬することができる. ただし, 気流の持続時間は極短時間であり, 実験計測から十分な気流の情報を得ることが困難であるため, 実験計測と流体解析の両方から気流推定を試みた(図2). 具体的には, 予想される気流のパラメータ範囲の中から, 実験の可視化結果に合致する気流条件の推定を試みている.

(3)について, 電磁力を利用した気流制御技術に関し, 流体に与える影響について電磁流体解析を実施した. 2次元くさび形状の肩付近に電磁力を作用させることで, 衝撃波形状が大きく変化する場合があることが明らかとなった(図3). 今後, この周辺の状況について検討を進めていき, 気流制御技術に応用できるかの検討も進めていく.

図1: 展開型柔軟エアロシェル実験機の大気圏突入時のCFD解析結果(速度分布と流線)

図2: Stardust型実験模型に対する膨張波管模擬気流のCFD解析結果(並進温度分布と振動温度分布)

図3: 2次元くさび形状に対するMHD解析結果(圧力分布, 左:磁石なし, 中:弱磁石, 右:強磁石)

成果の公表

-口頭発表

佐藤立樹, 今村宰, 永田靖典, 山田和彦, くさび形状周りの極超音速プラズマ流に関するMHD流体解析, 2022年度衝撃波シンポジウム, 1B2-4, 2023.

-ポスター

小山颯大, 近藤碧海, 嶋村耕平, 永田靖典, 山田和彦, 膨張波管を用いた深宇宙探査用再突入カプセルの空力加熱評価, 第66回宇宙科学技術連合講演会, P095, 2022.

JSS利用状況

計算情報

• プロセス並列手法: 非該当
• スレッド並列手法: 非該当
• プロセス並列数: 1
• 1ケースあたりの経過時間: 1 時間

JSS3利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 0.00

内訳

JSS3のシステム構成や主要な仕様は、JSS3のシステム構成をご覧下さい。

※1 総資源に占める利用割合：3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

ISV利用量

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2022年2月～2023年1月)