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この記事は著者が韓国語で書いた原文の翻訳です。 原文(한국어)を読む

NOTE #008DAY WED CFD기법DATE 2026.03.11UPDATED 2026.10.19READ 3 min read#CFD#Compressible-Flow#Interactive#Isentropic#Nozzle

Mach Architect: ノズルを設計しながら学ぶ圧縮性流

γ=1.4のチョーク圧力比は0.5283、M=2の面積比は約1.6875です。背圧がその間なら垂直衝撃波が管内に立ちます。

Mach Architect#

教科書のグラフだけでは、A/A∗A/A^* と Pb/P0P_b/P_0 がレジームをどう変えるか、手に残りません。

スロートの青い点を上下にドラッグし、右側の背圧スライダーで Pb/P0P_b/P_0 を変えると、出口マッハ数と衝撃波の位置が一緒に動きます。

スロートを狭めると流量が頭打ちになるか、背圧を 0.5283 より下げると衝撃波が出口側へ寄るかを見ます。

操作方法

  • ノズル形状: SVG上の青い円(control point)を上下にドラッグして断面積を調整します
  • 背圧: 右側スライダーで Pb/P0P_b/P_0 を調整します
  • レベル選択: 上部のLV1~LV4ボタンで切り替えます

レベル解説

Level 1: Subsonic Acceleration#

最も基本的な問題です。収縮ノズルでは亜音速流は断面積が減るほど加速します。 等エントロピ関係式:

AA∗=1M[2γ+1(1+γ−12M2)]γ+12(γ−1)\frac{A}{A^*} = \frac{1}{M}\left[\frac{2}{\gamma+1}\left(1+\frac{\gamma-1}{2}M^2\right)\right]^{\frac{\gamma+1}{2(\gamma-1)}}

M<1M < 1 なので AA が減ると MM が増えます。目標は出口マッハ数 0.45~0.55 です。

Level 2: Choking#

流れが**チョーク(choke)**するとスロートで M=1M = 1 になります。この状態では背圧をさらに下げてもスロート上流の質量流量は変わりません。

臨界圧力比 (γ=1.4\gamma = 1.4):

P∗P0=(2γ+1)γγ−1=0.5283\frac{P^*}{P_0} = \left(\frac{2}{\gamma+1}\right)^{\frac{\gamma}{\gamma-1}} = 0.5283

背圧をこの値以下に下げるか、スロートを十分に狭くしてください。

Level 3: Supersonic Nozzle Design#

C-Dノズルでスロート以降に断面積が再び広がると超音速に加速されます。M=2M = 2 を達成するには:

AeA∗=12[2γ+1(1+γ−12⋅4)]γ+12(γ−1)≈1.6875\frac{A_e}{A^*} = \frac{1}{2}\left[\frac{2}{\gamma+1}\left(1+\frac{\gamma-1}{2}\cdot 4\right)\right]^{\frac{\gamma+1}{2(\gamma-1)}} \approx 1.6875

式に M=2M=2、γ=1.4\gamma=1.4 を入れると、印刷された 1.6875 がそのまま出ます。(γ−1)/2=0.2(\gamma-1)/2=0.2、M2=4M^2=4 なので括弧の中は 1+0.8=1.81+0.8=1.8 です。2/(γ+1)=1/1.22/(\gamma+1)=1/1.2 を掛けると 1.5 です。指数 (γ+1)/(2(γ−1))(\gamma+1)/(2(\gamma-1)) は 3 です。1.53=3.3751.5^3=3.375。1/M=1/21/M=1/2 を掛けると 1.6875 です。スロートが 1 なら、出口はその倍数でないと M=2M=2 になりません。

亜音速の目標 0.45~0.55 は同じ式の反対側です。M=0.45M=0.45 で A/A∗≈1.45A/A^*\approx1.45、M=0.55M=0.55 で ≈1.25\approx1.25 です。帯が狭いです。スロートを少し動かすだけで出口マッハは区間の外に出ます。スロートの下流で広がらないと速くならない側は、ラバルノズルがひっくり返る地点と同じ式です。

背圧を設計圧力 Pb_design まで下げて初めて、衝撃波なしの超音速が出口まで届きます。

Level 4: Shock Positioning#

背圧が設計圧力より高いが臨界圧力より低い場合、ノズル内部に**垂直衝撃波(normal shock)**が発生します。

衝撃波前後の関係:

M22=M12(γ−1)/2+1γM12−(γ−1)/2M_2^2 = \frac{M_1^2(\gamma-1)/2 + 1}{\gamma M_1^2 - (\gamma-1)/2} P2P1=2γM12−(γ−1)γ+1\frac{P_2}{P_1} = \frac{2\gamma M_1^2 - (\gamma-1)}{\gamma+1}

M1=2M_1=2 を衝撃波の式に入れると約分がきれいです。M22=(4×0.2+1)/(1.4×4−0.2)=1.8/5.4=1/3M_2^2=(4\times0.2+1)/(1.4\times4-0.2)=1.8/5.4=1/3 で、M2≈0.577M_2\approx0.577 です。圧力比は (2×1.4×4−0.4)/2.4=10.8/2.4=4.5(2\times1.4\times4-0.4)/2.4=10.8/2.4=4.5 です。マッハ 2 で設計したあと背圧を設計値より高く残すと、管内のどこかで圧力が 4.5 倍に跳ね、マッハは 0.58 付近まで落ちます。

背圧を上げると衝撃波はスロート側へ、下げると出口側へ動きます。レベル 4 の目標 x=0.65∼0.80x = 0.65 \sim 0.80 は、その跳びを出口近くに置けという指定です。


シミュレータの物理モデル

このシミュレータは次の仮定に基づきます:

  1. 1D 準1次元(quasi-1D)流: 断面積変化のみ考慮、粘性/熱伝達は無視
  2. 等エントロピ流(衝撃波を除く): P0P_0, T0T_0 保存
  3. カロリック完全気体: γ=1.4\gamma = 1.4 (空気)
  4. 垂直衝撃波: Rankine-Hugoniot関係式適用
  5. ノズル形状: Hermite補間で滑らかな断面積分布を生成

衝撃波位置は出口圧力条件を満たす位置を離散的に探索します。衝撃波前方は等エントロピ超音速、後方は全圧損失を反映した等エントロピ亜音速で計算します。


設計背圧を残すと M=2 は衝撃波に食われる#

面積比 1.6875 を合わせたまま背圧を設計値より上に置くと、レベル 3 で作った M=2M=2 は管内で M2≈0.577M_2\approx0.577 まで落ちます。圧力は 4.5 倍です。背圧を 0.5283 と設計値の間に置いた瞬間、チョークは残り、超音速区間は衝撃波の手前で終わります。

その跳びを格子の上に載せるときは、厚みをわざと与えます。衝撃波をわざとぼかした人工粘性がその選択です。このシミュレータは位置を離散的に探すだけで、衝撃波の厚みは一セルも解像しません。背圧スライダーが x=0.65x=0.65 から 0.800.80 へ動くあいだ、圧力比が 4.5 から外れるかを先に見ます。

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