[論文レビュー] Large- and small-amplitude shock wave oscillations over axisymmetric bodies in high-speed flow

Vaisakh Sasidharan, Subrahmanyam Duvvuri|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2020

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 13被引用数 17

ひとこと要約

本実験的研究では、マッハ6の超音速流れ下で、丸みを帯びた底面を持つ軸対称な円錐体の表面における大振幅および小振幅の衝撃波の振動を調査している。時間分解能を有するシュレーレン像法を用いて、円錐半角（𝐿/𝑑）と底面径（𝐷/𝑑）で定義される二つのパラメータ空間における不安定性の境界をマップし、せん断層不安定性および剥離流のダイナミクスによって駆動される、定常状態、大振幅の脈動状態、小振幅の振動状態という明確に異なる状態領域を特定した。

ABSTRACT

The phenomena of self-sustained shock wave oscillations over conical bodies with a blunt axisymmetric base subject to uniform high-speed flow are investigated in a hypersonic wind tunnel at Mach number $M = 6$. The flow and shock wave dynamics are dictated by two non-dimensional geometric parameters presented by the three length scales of the body, two of which are associated with the conical forebody and one with the base. Time-resolved schlieren imagery from these experiments reveals the presence of two disparate states of shock wave oscillations in the flow, and allows for the mapping of unsteadiness boundaries in the two-parameter space. Physical mechanisms are proposed to explain the oscillations and the transitions of the shock wave system from steady to oscillatory states. In comparison to the canonical single-parameter problem of shock wave oscillations over spiked-blunt bodies reported in literature, the two-parameter nature of the present problem introduces distinct elements to the flow dynamics.

研究の動機と目的

• 丸みを帯びた底面を持つ軸対称体の表面における高超音速流れにおける衝撃波の不安定性を調査すること。
• 二つの幾何学的パラメータ空間（定常状態、大振幅脈動状態、小振幅振動状態の間の境界）における状態の境界をマップすること。
• 衝撃波の振動および流れ状態間の遷移を引き起こす物理的メカニズムを特定すること。
• 標準的な単一パラメータのスパイク付き丸みを帯びた体の問題を、より複雑な二パラメータ系に拡張すること。

提案手法

• マッハ6の高超音速風洞で実験を実施し、自由流のレイノルズ数は7×10⁶ m⁻¹とした。
• パulsedダイオードレーザー（640 nm、10 nsパルス）と高速カメラ（48,000～160,000 fps）を用いた時間分解能を有するシュレーレン像法を採用した。
• 幾何学的パラメータを変化させた：円錐長さ対底面径比（𝐿/𝑑）および底面径対円錐底面径比（𝐷/𝑑）、範囲は𝜃 = 15° から 45° まで。
• 時間的シュレーレン像の系列に基づいて、流れ状態を定常状態、脈動状態（大振幅）、振動状態（小振幅）に分類した。
• 5,000フレームの系列からの平均強度マップおよび標準偏差マップを分析し、不安定な衝撃波およびせん断層のダイナミクスを可視化した。
• 実験データポイントをもとに、二つのパラメータ空間における流れ状態の境界を経験的に推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二つの独立した幾何学的パラメータ（𝐿/𝑑 および 𝐷/𝑑）が、軸対称な高超音速流れにおける衝撃波の不安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 大振幅脈動と小振幅振動を引き起こす物理的メカニズムは何か？
• RQ3 幾何学的パラメータを変化させた際に、定常状態、脈動状態、振動状態の間の遷移はどのように発生するか？
• RQ4 せん断層の不安定性および剥離気泡は、小振幅衝撃波振動にどのように寄与しているか？
• RQ5 円錐半角（𝜃）は、衝撃波の不安定性の発生および抑制にどのように影響を与えるか？

主な発見

• マッハ6の条件下で、衝撃波の不安定性は二種類の明確な形で観測された：大振幅の脈動と小振幅の振動で、その間には定常状態が存在する。
• 𝜃 = 25° の条件下で、𝐷/𝑑 ≈ 1.3 で脈動状態から振動状態への遷移が発生し、これは剥離流の成長・崩壊から、せん断層不安定性によって駆動される不安定性への転換を示している。
• 小振幅の振動は、不安定なせん断層の不安定性に起因する分離衝撃波の高周波数のゆらぎおよび分離点の前後方向の運動によって駆動されている。
• 大振幅の脈動は、円錐表面における剥離流領域の周期的成長・崩壊によって引き起こされ、強い透過衝撃波および底面相互作用と関連している。
• 円錐半角（𝜃）が増加するにつれて、不安定性領域は狭くなり、𝑀= 6 の条件下で 𝜃 ≈ 25°–35° 未満では非自明な定常状態は観測されなかった。
• 𝜃 ≈ 45° を超えると、衝撃波の不安定性は消失するか、あるいは非常に狭い 𝐷/𝑑 範囲に限定されるようになり、壁圧力勾配が弱いため、不安定性メカニズムが抑制されていることが示唆された。