[論文レビュー] Modeling high-speed gas-particle flows relevant to spacecraft landings: A review and perspectives

Jesse Capecelatro|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2021

Particle Dynamics in Fluid Flows参考文献 103被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、月面および惑星着陸時の宇宙船プラズマ・サーフェス相互作用（PSI）に不可欠な高速圧縮性ガス-粒子流れのモデリングについてレビューおよび発展する。18世紀の実験から粒子解像度を有するシミュレーションに至るまでの古典的で現代的な抗力則を統合し、特に超音速領域および高密度粒子系において、追加質量や擬似乱流といった非定常効果の改善された相関関係を提供する。

ABSTRACT

The interactions between rocket exhaust plumes and the surface of extraterrestrial bodies during spacecraft landings involve complex multiphase flow dynamics that pose significant risk to space exploration missions. The two-phase flow is characterized by high Reynolds and Mach number conditions with particle concentrations ranging from dilute to close-packing. Low atmospheric pressure and gravity typically encountered in landing environments combined with reduced optical access by the granular material pose significant challenges for experimental investigations. Consequently, numerical modeling is expected to play an increasingly important role for future missions. This article presents a review and perspectives on modeling high-speed disperse two-phase flows relevant to plume-surface interactions (PSI). We present an overview of existing drag laws, with origins from 18th-century cannon fire experiments and new insights from particle-resolved numerical simulations. While the focus here is on multiphase flows relevant to PSI, much of the same physics are shared by other compressible gas-particle flows, such as coal-dust explosions, volcanic eruptions, and detonation of solid material.

研究の動機と目的

• 宇宙船着陸時のプラズマ-サーフェス相互作用（PSI）における高速、圧縮性二相流れの包括的モデリングの不足に対処すること。
• 歴史的実験から現代の粒子解像度を有するシミュレーションに至るまでの既存の抗力則を、広範なレイノルズ数およびマッハ数範囲で統合すること。
• 希薄から中程度に濃い粒子系において、超音速条件下での界面間結合の予測精度を向上させること。
• 衝撃-粒子相互作用中に生じる非定常効果（例えば、追加質量や擬似乱流）を組み込むこと。
• 将来的なミッション設計を支援するため、検証済みの物理的ベースのモデルを提供し、PSIリスク低減に貢献すること。

提案手法

• 18世紀の砲弾実験から最近の粒子解像度を有する直接数値シミュレーション（PR-DNS）に至るまでの古典的および現代的抗力相関の体系的レビュー。
• 亜音速（Ma < 1）、準音速（1 ≤ Ma < 1.75）、超音速（Ma ≥ 1.75）領域に分けて、マッハ数依存の抗力モデルの開発と統合。
• 密度の高い系における粒子の密集効果を考慮するため、Sangani（1991）の補正因子を用いた体積分率補正の導入。
• Tangら（2016）のモデルにおいて、粒子の可動性を反映するためのレイノルズ数依存補正（Re_T）を用いた粒状温度に基づく補正。
• DSMCおよび超音速DNSデータからの改良を反映させたLoth（2008）の抗力相関の適応化により、希薄流および圧縮性流れ領域をカバー。
• Knudsen数に基づく補正（例：fKn）を用いて、連続体と希薄流の過渡領域を扱うハイブリッドモデルの実装。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙船プラズマ-サーフェス相互作用に関連する全範囲のレイノルズ数およびマッハ数において、既存のガス-粒子流れの抗力則はどの程度の性能を示すか？
• RQ2 高速流れにおける衝撃-粒子相互作用中に顕著になる主な非定常効果（例えば、追加質量や擬似乱流）は何か？
• RQ3 粒子濃度および可動性は、圧縮性で超音速の流れにおける有効抗力にどのように影響を与えるか？
• RQ4 現代の粒子解像度シミュレーションおよび高精度流れシミュレーションの結果を組み込むことで、古典的抗力相関にどのような改善がなせるか？
• RQ5 高速PSIにおける過渡領域（連続体から希薄流）に至る抗力モデルを体系的に拡張するにはどうすればよいか？

主な発見

• Lothら（2021）の抗力相関は、希薄流から圧縮性流れ領域への遷移を的確に捉えており、連続体項と圧縮性項を組み合わせたハイブリッド式を採用している。
• 超音速流れ（Ma > 1）において、モデルはマッハ数依存のブレンド関数を用い、希薄化支配領域と圧縮支配領域との間を滑らかに遷移させる。
• Tang ら（2016）のモデルに粒状温度（Re_T）を組み込むことで、特に体積分率（φ_p ≥ 0.1）が高くなると顕著に抗力予測精度が向上する。
• Sangani ら（1991）の体積分率補正（1 + 2φ_p）／（1 − φ_p）^2 は、密な粒子系における抗力の増大を効果的に捉えている。
• Ma > 1.75 のモデルは無効であると判明し、ハイパース音速領域におけるさらなる検証の必要性が示された。
• 粒子解像度シミュレーションの結果、擬似乱流および追加質量効果が、特に高マッハ数・高密度の流れにおいて衝撃-粒子相互作用時に顕著に現れることが明らかになった。