YNU Aerodynamics Lab.

飛翔体の空力解析

　数値流体力学(CFD)を駆使し，空気力学を中心とする様々な流体現象を解明しています．内製コードやJAXA開発コードFaSTAR, LS-FLOW，rFlow3Dを，JAXAのスーパーコンピュータ(JSS3)もしくは研究室のワークステーションで使用して流体計算を行っています．

• 突起付きロケット
  
  2013年9月に初号機が打ち上げられたJAXAのイプシロンロケットや，関連する超音速流れの空力解析です．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Nimura, K., Tsutsui, F., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Aerodynamic Effects of Surface Protuberance Size on Slender-bodied Supersonic Vehicle, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 61, No. 2, March-April 2024, pp.355-368. https://doi.org/10.2514/1.A35714 ・Tsutsui, F., Takagi, Y., Takimoto, H., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Side Force Characteristics of Slender-Bodied Supersonic Vehicle with Two Protuberances, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 59, No. 5 (2022), pp. 1697-1712 doi: https://doi.org/10.2514/1.A35319 ・Harada, T., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Roll Moment Characteristics of Supersonic Flight Vehicle Equipped with Asymmetric Protuberance, Trans. JSASS Aerospace Tech. Japan, Vol.17, Issue 2, 2019, pp.111-119. https://doi.org/10.2322/tastj.17.111 ・Kitamura, K., Nonaka, S., Kuzuu, K., Aono, J., Fujimoto, K., and Shima, E.: Numerical and Experimental Investigations of Epsilon Launch Vehicle Aerodynamics at Mach 1.5, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol.50, No.4, 2013, pp.896-916. doi:10.2514/1.A32284

  
  
• 将来型宇宙輸送機
  
  再使用ロケットや超音速パラシュート等の将来型宇宙輸送機に関する数値解析です．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Mamashita, T., Muto, T., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Numerical Analysis on Axial Force Characteristics of Reusable Launch Vehicle at 150-180° Angles-of-Attack, Transactions of JSASS, 2023 Volume 66 Issue 4 Pages 118-129. https://doi.org/10.2322/tjsass.66.118 [Open Access] ・��木雄哉，武藤智太朗，北村圭一，野中聡：ダブルコーン型再使用ロケットの迎角60°横力特性に関する風洞試験と数値解析，日本航空宇宙学会論文集，第70巻，第1号，pp.14-21, 2022. DOI: https://doi.org/10.2322/jjsass.70.14 ・Kitamura, K., Fukumoto, K., and Mori, K.: Numerical Study of Surface Pressure Fluctuation on Rigid Disk-Gap-Band Type Supersonic Parachutes, AIAA Journal, Vol. 58, No. 12, 2020, pp. 5347-5360. https://arc.aiaa.org/doi/10.2514/1.J059190　[Open Access] ・Takagi, Y., Aogaki, T., Kitamura, K., and Nonaka, S.: Numerical Study on Aerodynamic Characteristics of Slender-bodied Reusable Rockets Using Fins and Vortex Flaps at Very High Angles of Attack, Trans. JSASS, Aerospace Tech. Japan, Vol. 18, No. 4, pp. 149-158, 2020. https://doi.org/10.2322/tastj.18.149 ・Aogaki, T., Kitamura, K., and Nonaka, S.: High Angle-of-Attack Pitching Moment Characteristics of Slender-Bodied Reusable Rocket, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 55, No. 6, 2018, pp.1476-1489. doi:10.2514/1.A34211 [Preprint]

  
  
• 将来型航空機
  
  低レイノルズ数翼，回転翼機，空飛ぶクルマ等です．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Furusawa, Y., Kitamura, K., Ikami, T., Nagai, H.: Numerical Study on Unsteady Flow Field Structure over Wing within Propeller Slipstream at Low-Reynolds-Number, Trans. JSASS, Aerospace Tech. Japan, Vol. 22, pp. 49-58, 2024 DOI: 10.2322/tastj.22.49. ・Furusawa, Y., Kitamura, K., Ikami, T., Nagai, H., Oyama, A.: Numerical Study on Aerodynamic Characteristics of Wing within Propeller Slipstream at Low-Reynolds-Number, Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci., Vol. 67, No. 1, pp. 12-22, 2024. DOI: 10.2322/tjsass.67.12 ・北村圭一，嶋英志，「空飛ぶクルマ　〜空のモビリティ革命に向けた開発最前線〜」『第３章　車体設計技術　第１節　空気力学による空飛ぶクルマ設計』，(株)エヌ・ティー・エス，2020（分担執筆）．　ISBN 978-4-86043-678-0 C3065 ・Ogawa, S. and Kitamura, K.: Improvement of the Aerodynamic Characteristics of Wings with 3D Laminar Separation Control using the Moving Surface Method, Trans. JSASS, Aerospace Tech. Japan, Vol. 18, No. 6, pp. 289-298, 2020. DOI: 10.2322/tastj.18.289 ・北村圭一，小川優，高濱俊匡：表面移動法による翼の低レイノルズ数空力特性の改善，日本航空宇宙学会論文集　航空宇宙技術，Vol.17, pp.227-236, 2018. doi:10.2322/astj.JSASS-D-17-00056 ・〇 山口拓真（横国大），“高い空力性能を有する胴体形状とは！？　〜空飛ぶクルマや超音速旅客機の実現に向けて〜，”第10回サイエンス・インカレ，ファイナリスト口頭発表（オンライン，2021年01月25日）．「参加企業賞（ファーウェイ賞）」

  
  
  

飛翔体空力特性についての風洞試験

　JAXA宇宙科学研究所(ISAS)の風洞設備および本学の超音速風洞や低速風洞を利用し，天秤を用いた力測定，圧力測定，可視化試験などを行っています．

圧縮性流体の数値計算法の研究

　世界の様々な研究者と協力し，学術的価値が高く，かつ設計に役立つ手法を提案しています．内製コードを中心に，JAXA FaSTAR，オープンソースMHDコードCANS+等も利用しています．

• 極超音速流れ（カーバンクル現象，空力加熱）
  
  極超音速流れ（およそマッハ5以上）の数値計算では，「カーバンクル現象」と呼ばれる衝撃波異常解がしばしば報告されています．
  CFDが発展した現在でも，これら衝撃波異常の原因や対策は完全には明らかにされていません．
  よって，例えば地球大気へ再突入する極超音速機（はやぶさ，スペースシャトル等）への空力加熱を正確に予測するためには，衝撃波異常が発生しにくい手法(我々が研究しているSLAU2など)が望ましいと考えます．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Kitamura, K., "Advancement of Shock Capturing Computational Fluid Dynamics Methods: Numerical Flux Functions in Finite Volume Method," Springer Nature Singapore, 2020（単著）. DOI: 10.1007/978-981-15-9011-5, ISBN 978-981-15-9010-8, (eBook) 978-981-15-9011-5 ・北村圭一，長谷尚央也，田口正人，森浩一：横断噴流空力干渉を伴う三次元極超音速空力加熱の数値計算，日本航空宇宙学会論文集　航空宇宙技術，Vol.19, pp. 141-150, 2020． DOI: 10.2322/astj.JSASS-D-20-00015 ・Kitamura, K. and Shima, E.: Numerical Experiments on Anomalies from Stationary, Slowly Moving, and Fast-Moving Shocks, AIAA Journal, Vol.57, No.4, 2019, pp.1763-1772. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J057366 ・Kitamura, K.: Assessment of SLAU2 and Other Flux Functions with Slope Limiters in Hypersonic Shock-Interaction Heating, Computers & Fluids, Vol.129, 2016, pp.134-145. doi:10.1016/j.compfluid.2016.02.006 ・Kitamura, K. and Shima, E.: Towards shock-stable and accurate hypersonic heating computations: A new pressure flux for AUSM-family schemes, Journal of Computational Physics, Vol.245, 2013, pp.62-83. doi:10.1016/j.jcp.2013.02.046 ・Kitamura, K., Shima, E., and Roe, P.: Carbuncle Phenomena and Other Shock Anomalies in Three Dimensions, AIAA Journal, Vol. 50, No. 12, 2012, pp.2655-2669. doi:10.2514/1.J051227 ・Kitamura, K., Shima, E., Nakamura, Y., and Roe, P.L.: Evaluation of Euler Fluxes for Hypersonic Heating Computations, AIAA Journal, Vol.48, No.4, 2010, pp.763-776. doi:10.2514/1.41605 ・Kitamura, K., Roe, P., and Ismail, F.: Evaluation of Euler Fluxes for Hypersonic Flow Computations, AIAA Journal, Vol.47, No.1, 2009, pp.44-53. doi:10.2514/1.33735 ・Nishikawa, H. and Kitamura, K.: Very Simple, Carbuncle-Free, Boundary-Layer-Resolving, Rotated-Hybrid Riemann Solvers, Journal of Computational Physics, Vol.227, No.4, 2008, pp.2560-2581. doi:10.1016/j.jcp.2007.11.003

• 遷音速流れ（数値誤差の低減）
  
  遷音速流れ（マッハ1付近）においては衝撃波・乱流境界層干渉を伴って翼を振動させる「バフェット現象」が起こり，飛翔体の空力特性は大きく変化します．
  しかしその非定常性，複雑さから，バフェット現象の物理的理解やその発生予測は現在でも困難とされます．
  そこでこれを数値計算で精度良く捉え，解明するために，JAXAと協力してポストリミタ(a posteriori Limiter)や高解像度(High Resolution, Hi-Res, or HR)流束関数HR-SLAU2といった新しい計算手法や、英国ケンブリッジ大学らと共にHybrid LES/RANSによる実用乱流計算法を研究しています．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Tsukamoto, Y., and Kitamura, K.: Numerical Study of Transonic Buffet on SC(2)-0518 and OAT15A with Vortex Generators, AIAA Journal, Vol. 62, No. 8, 2024, pp. 3052-3065. [Open Access]. ・Kitamura, K., Aogaki, T., Inatomi, A., Fukumoto, K., Takahama, T., and Hashimoto, A.: Post Limiters and Simple Dirty-Cell Detection for Three-Dimensional, Unstructured, (Unlimited) Aerodynamic Simulations, AIAA Journal, Vol. 56, No. 8, 2018, pp. 3192-3204. doi:10.2514/1.J056683 [Preprint] ・Kitamura, K. and Hashimoto, A.: Simple a posteriori slope limiter (Post Limiter) for high resolution and efficient flow computations, Journal of Computational Physics, Vol.341, 2017, pp. 313-340. doi:10.1016/j.jcp.2017.04.002 ・Kitamura, K. and Hashimoto, A.: Reduced Dissipation AUSM-Family Fluxes: HR-SLAU2 and HR-AUSM+-up for High Resolution Unsteady Flow Simulations, Computers & Fluids, Vol.126, 2016, pp. 41-57. doi:10.1016/j.compfluid.2015.11.014 ・Kitamura, K., and Shima, E.: Simple and Parameter-Free Second Slope Limiter for Unstructured Grid Aerodynamic Simulations, AIAA Journal, Vol. 50, No. 6, 2012, pp.1415-1426. doi:10.2514/1.J051269

  
  
• 低速流れ（前処理と低散逸数値流束）
  
  低速流れ（マッハ0.1以下）を圧縮性流体解法で計算すると，収束性が劣化し，また数値誤差を大きく含んだ解に至ることが知られています．
  SLAUやSLAU2，HR-SLAU2は，こうした数値誤差を適切に制御し，また収束性を改善するための前処理法と併用可能な手法であるため， 低速においても問題無く使用する事ができます(All-Speedスキーム)．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Furusawa, Y., and Kitamura, K.: Stability Effect of Multidimensional Velocity Components in Numerical Flux SLAU, International Journal for Numerical Methods in Fluids, Vol.95, No.6 (2023), pp.992-1010. https://doi.org/10.1002/fld.5183 ・Kitamura, K., Shima, E., Fujimoto, K., and Wang, Z.J.: Performance of Low-Dissipation Euler Fluxes and Preconditioned LU-SGS at Low Speeds, Communications in Computational Physics, Vol.10, No.1, 2011, pp.90-119. doi:10.4208/cicp.270910.131110a ・Shima, E. and Kitamura, K.: Parameter-Free Simple Low-Dissipation AUSM-Family Scheme for All Speeds, AIAA Journal, Vol.49, No.8, 2011, pp.1693-1709. doi:10.2514/1.55308

  
  
• 混相流（二流体モデル）
  
  混相流の数値計算法は，現在でも盛んに研究されています．
  特に水中に気泡が発生する「キャビテーション現象」は，航空宇宙分野では過去のロケット打上げ失敗の事故原因としても報告されています．
  我々はNASAのMeng-Sing Liou博士（当時）らと協力し，SLAU2などの新しい圧縮性流体解法を，混相流計算法の一つ「二流体モデル」と組み合わせて，水中衝撃波・気泡干渉問題などへ適用しています．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Aono, J., and Kitamura, K.: Development and Validation of Parameter-Free, Two-Fluid, Viscous Compressible Multiphase Flow Solver for Cough-Droplet Simulations, Journal of Fluid Science and Technology, 2023 Volume 18 Issue 1 Pages JFST0016. https://doi.org/10.1299/jfst.2023jfst0016 [Open Access] ・Aono, J., and Kitamura, K.: An appropriate numerical dissipation for SLAU2 towards shock-stable compressible multiphase flow simulations, Journal of Computational Physics, Volume 462, 1 August 2022, 111256. https://doi.org/10.1016/j.jcp.2022.111256 [Open Access] ・Kitamura, K. and Nonomura, T.: Assessment of WENO-extended two-fluid modelling in compressible multiphase flows, International Journal of Computational Fluid Dynamics, Vol.31, Issue 3, 2017, pp.188-194. doi:10.1080/10618562.2017.1311410 ・Kitamura, K. and Nonomura, T.: Simple and Robust HLLC Extensions of Two-Fluid AUSM for Multiphase Flow Computations, Computers & Fluids, Vol.100, 2014, pp.321-335. doi:10.1016/j.compfluid.2014.05.019 ・Kitamura, K., Liou, M.-S., and Chang, C.-H.: Extension and Comparative Study of AUSM-Family Schemes for Compressible Multiphase Flow Simulations, Communications in Computational Physics, Vol.16, No.3, 2014, pp.632-674. doi:10.4208/cicp.020813.190214a ・Nonomura, T., Kitamura, K., and Fujii, K.: A Simple Interface Sharpening Technique with a Hyperbolic Tangent Function Applied to Compressible Two-Fluid Modeling, Journal of Computational Physics, Vol.258, 2014, pp.95-117. doi: 10.1016/j.jcp.2013.10.021

• 超臨界流体，電磁流体(MHD)，衝撃波検知法，衝撃波鮮鋭化法
  
  SLAU2を超臨界流体（ロケットエンジン内で発生）や電磁流体に拡張しています．
  また，画像認識やAIを利用した衝撃波の検知法，衝撃波を鮮鋭化して計算する方法の研究も行っています．
  
  

  ＜関連論文＞ ・Fukushima, G., and Kitamura, K.: Improved hybrid approach of monotonic upstream-centered scheme for conservation laws and discontinuity sharpening technique for steady and unsteady flows, Physics of Fluids, 36, 046110 (2024). https://doi.org/10.1063/5.0198163 [Open Access]. ・Mamashita, T., Kitamura, K., and Minoshima, T.: SLAU2-HLLD Numerical Flux with Wiggle-Sensor for Stable Low Mach Magnetohydrodynamics Simulations, Computers & Fluids, Volume 231, 15 December 2021, 105165. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2021.105165 [Open Access] ・Kitamura, K., Mamashita, T., and Ryu, D.: SLAU2 applied to Two-Dimensional, Ideal Magnetohydrodynamics Simulations, Computers & Fluids, Volume 209, 15 September 2020, 104635 https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2020.104635 ・Minoshima, T., Kitamura, K., and Miyoshi, T.: A Multistate Low-dissipation Advection Upstream Splitting Method for Ideal Magnetohydrodynamics, The Astrophysical Journal Supplement Series, Vol.248:12 (21pp), 2020 May. https://doi.org/10.3847/1538-4365/ab8aee ・Kitamura, K., and Balsara, D.S.: Hybridized SLAU2-HLLI and Hybridized AUSMPW+-HLLI Riemann Solvers for Accurate, Robust, and Efficient Magnetohydrodynamics (MHD) Simulations, Part I: One-Dimensional MHD, Shock Waves, July 2019, Volume 29, Issue 5, pp 611-627. doi:10.1007/s00193-018-0842-0 ・Fujimoto, T., Kawasaki, T., and Kitamura, K.: Canny-Edge-Detection/Rankine-Hugoniot-conditions unified shock sensor for inviscid and viscous flows, Journal of Computational Physics, Volume 396, 1 November 2019, Pages 264-279.　DOI: 10.1016/j.jcp.2019.06.071 [Open Access] ・Kitamura, K. and Shima, E.: Pressure-equation-based SLAU2 for oscillation-free, supercritical flow simulations, Computers & Fluids，Vol.163, 2018, pp.86-96. doi:10.1016/j.compfluid.2018.01.001