レインボーシュリーレン法による超音速マイクロジェットの3次元構造の解明

• Project/Area Number: 20K04272
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: The University of Kitakyushu
• Principal Investigator: 宮里 義昭 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (30253537)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
• Keywords: レインボーシュリーレン / 衝撃波 / 密度測定 / 超音速流れ / 非対称ノズル / 光学的可視化計測 / マイクロジェット / 密度計測

Outline of Research at the Start

超音速マイクロジェットは，航空宇宙分野ではジェットエンジンからの排気騒音の低減，医療分野では肺への酸素供給としての利用が期待されており，数多くの研究が行われている．一般に，ノズル出口から音速を超える流れが流出する場合には，流れ場の内部に衝撃波が現れ，衝撃波と自由せん断層との干渉により流れ場は非常に複雑となる．また，超音速マイクロジェットでは，ノズル内部の流れの粘性がジェットの構造に強く影響を及ぼすことが予想できるが，それについてはほとんどわかっていない．本研究では，実験と計算の両方から超音速マイクロジェットの定常および非定常の３次元構造を解明する．

Outline of Annual Research Achievements

本研究では、ノズル出口直径が１ｍｍの軸対称先細ノズルと出口形状が1mm×1mmの正方形先細ノズルから流出する不足膨張状態のマイクロジェットについて、レインボーシュリーレン偏向法を用いて流れ場を計測し、噴流内部の衝撃波の3次元構造に及ぼすノズル圧力比（ノズル上流のよどみ圧力と背圧の比）の影響を明らかにした。また、実験と同条件のもとにレイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式（RANS）を用いた数値シミュレーションを行った。計算では、高速気体力学の分野で評価の高いstandard k-epsilon、realizable k-epsilon、Spalart-Allmaras、SSTｋ－omega等の乱流モデルを使用した。その結果、軸対称先細ノズルおよび正方形先細ノズルから流出するマイクロジェットのショックセル長さ、ノズル中心軸上の密度分布、マッハ数分布、衝撃波の3次元構造等に及ぼすノズル圧力比の影響を実験的に明らかにした。実験で取得した噴流の密度場は、SSTｋ－omega乱流モデルを用いると、数値シミュレーションで忠実に再現できることがわかった。レインボーシュリーレン偏向法で取得した軸対称マイクロジェットの密度場を過去のマッハ・ツェンダー干渉法で取得した密度場と定量的に比較した結果、両者は定量的に良く一致することがわかった。正方形先細ノズルから流出するマイクロジェットの噴流中心軸に対して垂直な断面の密度場の流れ方向の変化を実験と数値シミュレーションを用いて明らかにした。出口直径が１mmおよび出口形状が1mm×1mmで設計マッハ数が１．５の超音速ノズルから流出する不足膨張状態のマイクロジェットについて、レインボーシュリーレント偏向法による実験とLESを用いた数値シミュレーションを用いて、軸対称および正方形超音速マイクロジェットの噴流の時系列3次元構造を明らかにした。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

軸対称先細ノズルからの不足膨張マイクロジェットの3次元密度場に及ぼすノズル圧力比の影響を実験的に明らかにして、流体関連の査読付き学術論文で公開した。設計マッハ数が１．５の軸対称および正方形超音速ノズルからのマイクロジェットの流れ場を実験と計算で明らかにすることができた。

Strategy for Future Research Activity

昨年度までに実施した研究成果を取り纏め、国際学会発表および査読付き学術論文として一般に公開する予定である。

Research Products

• [Journal Article] Flow features of underexpanded microjets emerging from a round convergent nozzle (2023)
  • Author(s): Tashiro, T., Fukunaga, R., Ustunomiya, D., Nakao, S., Miyazato, Y., and Ishino, Y.
  • Journal Title: Experiments in Fluids Volume: 64 Issue: 3 Pages: 55-55
  • DOI: 10.1007/s00348-023-03603-0
  • Peer Reviewed