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乱流の解析

燃焼器設計フロントローディングのためのシミュレーション技術の研究

 

航空エンジン燃焼器内の流れ場のシミュレーションにおいて、ノズルから噴射される燃料の液滴径分布を正しく条件として与えることは解析精度に直結します。しかし、燃料ノズル付近の微粒化( 一次微粒化) を計測することは現状困難であり、この径分布の不確定性が解析のボトルネックの一つとなっています。
 本解析では、計測の代わりに、JSS2 による一次微粒化詳細解析から粒径分布の作成を行いました。また、作成した粒径分布を実際の燃焼器解析に適用しました。

Turbulence picture04

▲ノズル付近の液相表面の可視化図

 

剥離・再付着を伴う乱流境界層の直接数値シミュレーション

 

乱流境界層の剥離は、航空宇宙分野において最もチャレンジングな研究課題の一つです。この現象は、形状剥離(例えば、バックステップ流れ)と逆圧力勾配による剥離(例えば、航空機の翼面上の流れ)に分類されます。本研究では、圧力勾配を変化させることにより、剥離・再付着を伴う乱流境界層の直接数値シミュレーション(DNS)を実施しました。

図1に計算対象を示します。この計算では、噴出し・吸込みを計算領域の上部境界に課すことにより、流れを剥離・再付着させるとともに、剥離泡(再循環領域)を形成しています。剥離・再付着線が時空間に変動することが、この流れ場の一つの特徴です。流入データには、ゼロ圧力勾配の乱流境界層のDNSデータを与えています。

Turbulence picture01

図1:計算対象

 

図2は、この種の計算で世界最高レイノルズ数となるReq=1500のDNSの渦構造の可視化結果です(Reqは、 自由速度および運動量厚さに基づくレイノルズ数を示しています)。剥離せん断層において渦構造が微細になる様子が現れていますが、この渦構造を解像するた めに約130億点の格子数を要しました。今後は、DNSデータの解析およびDNSデータを用いた乱流モデルの開発を進める予定です。

 

turbulence picture02

図2:渦構造の等値面表示:速度勾配テンソルの第2不変量の正値(流れの方向は左下から右上)

 

Turbulence picture03

高束•低速領域の等値面表示:赤、高速;青、低速(流れの方向は左下から右上)

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