はじめに

我々人類にはまだまだ未知なる世界が存在します。足を踏み入れることすら困難な宇宙空間や深海、顕微鏡でさえ見ることのできないほど微小な量子力学的スケールを持つ世界など、その枚挙に暇がありません。さまざまな物理現象やその工学応用によって創られる新たな技術が、未だ見ぬ明日への扉を開き、好奇心と探求心を駆り立てます。まさにロマンと言えるでしょう！

18 世紀 英国の産業革命における蒸気機関の発明によって生活環境や文化は加速度的に変化を遂げ、現在に至るまで人類は工業化の道を歩んできました。その基盤とも言える輸送技術の進歩は特に目覚ましく、内部・外部流班の興味対象でもある船舶や鉄道、自動車、航空機を経て、現在では人工衛星や宇宙ステーション建設を目的とした超高速宇宙輸送にまで展開しています。さらに、火星への移住計画やはやぶさに代表される小惑星探査と、未来への道程に世界中の多くの人々が心奪われ関心を寄せています。

我々の班では高速流動現象の物理的な解釈とその工学応用に関して、コンピュータによる解析技術を道具として駆使し、様々な研究課題に取り組んでいます。学生たちは互いに協力しながら切磋琢磨し、修士論文・卒業論文の完成を目指しています。日常的に教員と議論を交わし研究の理解を深めることで、学生個人個人の能力向上を目指した活動を行っています。

以下、学生さん個人の研究についてご紹介します！

近年の鉄道車両の高速化は著しく、その一方でさらなる高速化に伴う安全性の向上が必須となります。特に地震など大規模災害を想定した場合、緊急時の減速機構の開発は非常に大きな課題といえます。従来のディスクブレーキや電気ブレーキなど線路の粘着力 (摩擦力) に頼った制動力に加えて、近年では高速化を逆手にとった空力抵抗による新たな制動方法が注目されています。ところが、これまでに検討された空力ブレーキ装置は大型のもので、客室容量を圧迫した上、重量も増加、また要求される制動力を得ることも困難でした。

本研究では、まずCFD解析を用いて小型の空力抵抗板まわりの流れを数値シミュレーションし、その抵抗生成の流動の様子を理解し知見を深めます。その後、抵抗板のサイズや形状、主流に対する角度による依存性を調査し、複数の小型抵抗板を車両上面へ配置する方法について考察し、高速車両へ要求される制動力の実現可能性を検討します。

Mechelle5000分光器 (左) とiKon-M CCDカメラ (右)

はやぶさやスペースシャトルなどの宇宙機は、大気圏に再突入する際、空力加熱によって極めて過酷な熱環境に晒されます。そのため、アブレータなどを用いた熱防御設計が不可欠であり、設計の過程では数値シミュレーション等による加熱量の正確な予測が求められます。

予測精度の向上は、大気圏再突入時の安全性の向上や、熱防御システムの軽量化による打上げ重量の削減につながります。本研究では、流体、非平衡プラズマ、輻射の相互作用を統合的に考慮した数値解析を行い、従来手法に比べてより詳細な大気圏突入環境の再現を目指しています。

現在は、電子励起における非平衡性を考慮したモデルを用いて得られた解析結果を実験値と比較し、反応速度定数の調整を行うことで予測精度の向上を図っています。

さらに、解析可能な化学種を増やすことで、火星大気圏突入やアブレータから放出されるガスを考慮した流れを再現できるよう計算コードの拡張も行っています。

非構造6面体格子を用いたsin波の3次元移流計算

楕円錐模型周りの壁面加熱率分布とマッハ数分布