超音速境界層の遷移における線形安定性モードの非線形発達の数値シミュレーション

Abstract

　近年開発が盛んになっている次世代型宇宙輸送機は，スペースシャトルと比較すると機体が小さいため，機体周りの流れは低Reynolds数・高Mach数の流れであり乱流遷移過程にあることが考えられる．そのため機体設計においては過酷な熱環境から機体を守るための熱防御設計が重要である．以上のことから，圧縮性境界層の遷移機構を理解し，流れが機体のどの箇所で早く遷移するかを解明することは次世代超音速航空機の開発において重要な課題とされてきた．　圧縮性境界層における乱流遷移は，外部環境の撹乱の強さによって2つの遷移過程に大別されることが知られている．例えば静粛な高い高度を飛行する航空機周りの流れのように，外部撹乱が非常に小さい場合では，線形安定理論で予測されるプライマリーモードの発達を促す撹乱を受容しやすく，プライマリーモードの非線形成長によって，境界層の変形が遷移に影響を与える．一方，タービンの内部流など外部撹乱が大きい場合では，TS波の線形発達をバイパスし，撹乱過渡成長など，外部環境による撹乱が乱流遷移に直接影響を与える，いわゆるバイパス遷移現象があることが知られている．これら超音速境界層の遷移機構の詳細は実験的研究での解決は困難であり，線形安定解析および直接数値シミュレーション(DNS）による解明が期待されている．　そこで本研究では超音速圧縮性境界層の乱流遷移を対象とし，圧縮性境界層流れが持つ不安定性，およびその結果から得られる不安定波の非線形発達に伴う遷移機構を，線形安定性解析および高解像度空間発展DNSによって調査し，以下の知見を得た．　・乱流遷移過程における不安定波の寄与は亜音速の場合，特に撹乱振幅が小さい場合は，プライマリーモードを経由し線形的に増幅するのに対し，超音速の場合，また亜音速であっても撹乱振幅の大きい場合は，プライマリーモードをバイパスし過渡的増幅（Transient growth）を経て崩壊（Breakdown）に至る過程が支配的である．　・線形安定性理論によって得られた流入撹乱を定常流に導入すると，渦構造の三次元的変形によって流れ場に主流速度の変動が起き，ストリーク構造を形成する．ストリーク構造は時間発展とともに主流方向に伸び更なる渦構造の変形やストリーク構造自身の発達を誘起し，下流部分に特徴的なヘアピン渦を形成する．する．これらの変形やストリーク構造自身の更なる発達が乱流遷移を引き起こす．電気通信大学201