バンプ流れによる圧縮性流体解析の基本検証#

概要#

障害物であるバンプ周りの流れ解析で、AFFrが、亜音速、遷音速、超音速の圧縮性流れを正確に解析できるかを検証します。

解析条件#

解析領域を図 1 に示します。入口流速により、バンプ高さYを変更しています(表 1参照)。両者のモデルとも、節点数約3.9万、要素数約2.5万です。

図 1. 解析領域

解析条件を表1にまとめています。

表 1. 解析条件

項目	設定
方程式	3次元圧縮性Navier-Stokes方程式（非粘性流体を仮定）
作動流体	非粘性流体(Air)
入口流速	亜音速（マッハ数0.5）、遷音速(マッハ数0.67）、超音速(マッハ数1.65)
バンプ高さY	0.37m(入口流速が亜音速・遷音速の場合）、0.165m(入口流速が超音速の場合)
空間精度	空間3次精度（差分スキーム：3次風上差分）

解析結果#

・入口流速亜音速（マッハ数0.5）：

図 2は、入口流速亜音速の条件での、マッハ数分布を示します。

図 2.入口流速亜音速（マッハ数0.5）でのマッハ数分布

マッハ数分布は左右対称になっています。亜音速流れでは、バンプによる流れの乱れは発生するものの、衝撃波などは発生せず、滑らかな流れとなるため、マッハ数分布は対称性を保つと考えられます。

・入口流速遷音速(マッハ数0.67）:

図 3は、入口流速遷音速の条件での、マッハ数分布を示します。

図 3.入口流速遷音速（マッハ数0.67）でのマッハ数分布

バンプ部で超音速（マッハ数1.0以上）になり、衝撃波が発生し、波面の圧力が高くなっています。一部で局所的に音速を超え、急激に変化している箇所も見られます。

・入口流速超音速(マッハ数1.65）:

図 4は、入口流速超音速の条件での、マッハ数分布を示します。

図 4.入口マッハ数 1.65 (超音速流れ)の際のマッハ数分布

バンプ上流部から衝撃波が発生し、上面と下面の衝撃波が交差し、その影響が広範囲に及んでいることがわかります。

(*)参考文献：Lilek, Z.: "Ein Finite-Volumen Verfahren zur Berechnung voninkompressiblen und kompressiblen Stromungen in komplexenGeometrien mit beweglichen Randern und freien Oberflachen", Dissertation, University of Hamburg, Germany, 1995.

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