[奨励賞] 都木 貴彦 / Purdue University

Takahiko Toki, Ph.D.

[分野:化学・工学・物理・数学分野]

論文リンク

https://www.cambridge.org/core/journals/journal-of-fluid-mechanics

論文タイトル

Large-eddy simulations of conical hypersonic turbulent boundary layers over cooled walls via volumetric rescaling method

掲載雑誌名

Journal of Fluid Mechanics

論文内容

マッハ5以上の速度域は極超音速と呼ばれ、この速度域で飛行する物体は大きな空気抵抗と空力加熱による熱負荷に晒されます。そのため極超音速飛行を前提とする機体の設計ではこの空気抵抗と熱負荷の予測精度が重要になります。現在航空宇宙分野の設計ではReynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)解析と呼ばれる時間平均流れ場の数値解析手法が広く使われています。ですがこの手法は極超音速域では大きな予測誤差が報告されており、予測精度の改善のために極超音速流れの現象理解が必要となっています。飛行中の機体は境界層と呼ばれる空気の薄い層に覆われ、その内部には無数の乱流渦が渦巻いています。これらの渦が空気抵抗と熱負荷に強く関わっています。本研究ではこの極超音速境界層内の乱流現象を明らかにするため、Large-Eddy-Simulation (LES)と呼ばれる手法を用いてマッハ7.4の極超音速気流中の円錐状の物体周りの流れ場の解析を行いました。この手法は大きなスケールの乱流渦をシミュレーションすることで乱流渦の挙動を明らかにします。このLES 解析によって極超音速の境界層内では低速では見られない強い圧力の振動が壁面近傍で起こり、この圧力振動が熱負荷の振動も引き起こすことが明らかになりました。また流れ場を可視化することで、この振動が壁面と音速線が二次振動モードを形成することに起因することが明らかになりました。これらの結果は極超音速機体の設計予測に役立てられることが期待できます。

受賞者のコメント

このたびはUJA奨励賞をいただき、大変うれしく思います。本賞を企画・運営してくださった先生方、審査に携わってくださった皆様に心より感謝申し上げます。

審査員コメント

竹井 聡先生

独自の計算手法を用いて，極限まで冷やされた壁の上を流れる超高速な空気の動きを解明した素晴らしい研究です．特に壁の近くで発生する「不思議な波」が，熱の伝わり方に大きな影響を与えることを突き止めた点は，非常に価値があると思います．この波の研究をさらに深めることで，流体力学の新たな発見が生まれることを楽しみにしています．

利根川 吉廣先生

円錐形内における超音速流体の境界層に対して新規のリスケーリング手法を用いて数値計算を行なっており，全くの門外漢の私にもスペクトル解析など様々な手法を用いて研究を行っているのが断片的にでもわかるような研究内容になっている．形状が異なっていても平板との共通点が多いところが興味深いと思った．

トープラサートポン カシディット先生

本論文は、流体力学を数値計算によって丁寧に明らかにした点で、学術的な貢献にとどまらず、安全設計や熱対策といった工学的観点からも意義の大きい研究です。研究全体を通じて、現象を直感的に理解しやすく整理しようとする姿勢が感じられ、分野外の読者にとっても価値のある成果となっています。今後は、本研究で培われた視点や手法を基盤として、さらに幅広い問題へと展開していくことを期待します。

佐藤 隆昭先生

本研究は、マッハ7.4という極超音速領域において、冷却された壁面が乱流境界層に与える影響を、高度な数値シミュレーション（LES）によって解明した質の高い研究です。

まず学術的意義として、極限環境下での流体挙動を「Volumetric Rescaling Method」という新たな手法を用いて効率的かつ高精度に捉えた点を高く評価します。極超音速飛行体の設計において、壁面冷却による乱流構造の変化を理解することは避けて通れない課題ですが、本研究が示した知見は、航空宇宙工学における実用的な設計指針を前進させるものです。Navier-Stokes方程式という古典的かつ難解な物理現象に対し、計算精度と近似法の新たな可能性を提示したことは、将来的に流体解析がより広範な技術者にとって「身近で信頼できるツール」となるための重要な一歩だと感じました。

また、審査の過程で特に印象に残ったのは、視覚的なデータの提示（Visualization）の素晴らしさです。流体解析の結果は得てして複雑になりがちですが、本論文の図表は極めて洗練されており、要点がひと目で伝わるシンプルさと、グラフの軸や用語の統一感による読みやすさが際立っています。これは著者が自身の研究を正しく伝えようとする強い姿勢の表れであり、論文の説得力を一層高めています。

私自身の関心事であるトライボロジー（摩擦・摩耗）の視点からも、本研究には大きな示唆を得ました。金属間の極小ギャップにおける潤滑油の運動も、本研究で扱われた境界層の渦と同様、微視的な流体挙動が全体の摩擦特性を決定づけます。本研究で磨かれた「スケーリング（現象の法則性を見出す手法）」の考え方は、極限状態での潤滑メカニズムを解明する上でも大いに参考になるはずです。やはり”境界”は難しいですね。

今後は、この高精度なシミュレーション技術がさらに発展し、航空宇宙分野に留まらず、複雑な流体現象を伴う広範な産業応用へと波及していくことを期待しています。著者らの卓越した解析技術と明快に説明する技術に敬意を表し、今後のさらなる飛躍を楽しみにしております。

１）研究者を目指したきっかけ

子どもの頃、父の仕事の関係でスペースシャトルの打ち上げを間近で見る機会があり、それをきっかけにロケットなどの航空宇宙分野に興味を持つようになりました。振り返ると、父の背中を追いかけるようにして研究者を目指したのだと思います。

２）現在の専門分野に進んだ理由

極超音速とは、一般に音速の5倍以上の速度のことを指します。普段の生活ではなじみのない速度ですが、宇宙機が地球に帰還する際には避けて通れません。自分の研究が将来の宇宙探査に少しでも役立つかもしれない、という思いがモチベーションになっています。

３）この研究の将来性

極超音速では、空気が強く圧縮されることで高温となり、宇宙機には大きな熱がかかります。こうした現象をより正確に理解することで、宇宙機を守るための熱設計をより安全で確実なものにできると考えています。