回転飛翔体の臨界レイノルズ数付近の流体力学的特性の解明

• Project/Area Number: 22K11467
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 59020:Sports sciences-related
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 奥泉 寛之 東北大学, 流体科学研究所, 技術専門職員 (60647957)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小西 康郁 東北大学, 流体科学研究所, 学術研究員 (20552540)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥390,000 (Direct Cost: ¥300,000、Indirect Cost: ¥90,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
• Keywords: 回転球 / ゴルフボール / 磁力支持天秤装置 / マグナス力 / 支持干渉 / マグナス効果

Outline of Research at the Start

ゴルフボールから甚大な強風被害をもたらすフライングデブリまで，回転飛翔体周りの空力現象については未だ十分に解明されていない．この一因として，模型を風洞に固定するための支持部材による気流への影響（支持干渉）が挙げられる．
本研究では，模型を磁気力で風洞に非接触支持でき，空力計測精度にも優れた世界最大の磁力支持天秤装置を用いる．本装置で獲得済みの，平滑な表面の回転球の風洞実験技術に，リアルタイム高速度カメラと物体検出技術を組み合わせ，ゴルフボールの様な形状の回転状態での風洞試験技術へと発展させる．これにより回転飛翔体の臨界レイノルズ数領域を含む真の空力現象を明らかにする．

Outline of Annual Research Achievements

ゴルフボールから甚大な強風被害をもたらすフライングデブリまで，回転しながら飛翔する物体は生活の中でしばしば現れる．こうした回転飛翔体周りの空力現象については未だ十分に解明されていない．その主な理由の一つに，回転飛翔体を風洞気流中に固定する支持装置の影響（支持干渉）が大きく，計測結果の信頼性が低いことが挙げられる．本研究では，空力計測精度に優れた世界最大の磁力支持天秤装置を用いて，ゴルフボールや野球ボールの様な球状物体に対して表面構造が付与された形状を回転状態で磁力支持し，それに作用する流体力を支持干渉の無い状態で測定することで回転飛翔体の臨界レイノルズ数領域を含む真の空力特性を明らかにすることを目的としている．
既に平滑な表面の球については磁気浮揚技術を開発済みであるが，空気力計測精度が低いという問題があった．その精度向上のために、模型製作精度、回転精度やセンシング方法を改善しているところである。現在、模型の回転精度向上のための軸受け部の改良を行進めている。センシングについては現在のラインセンサーからエリアセンサーへ変更するための球状物体位置認識プログラムを開発中である。
また、支持干渉のない本磁力支持天秤装置と支持干渉のある機械的支持手法を比較するための足がかりとして，ストラット，X型ワイヤー，I型ワイヤーにて球を支持し，回転させたときの負のマグナス力計測を行った．その結果，他の研究者の報告と同様の条件において，３種類の機械的支持状態ではいずれも負のマグナス力が発生することが確認された．今後この結果と磁力支持天秤装置のでの支持干渉のない空気力計測結果を比較し，支持干渉の影響を評価することも可能となる計画である．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

本研究期間の初年度に磁力支持天秤装置とその風洞実験を行うための風洞が設置してある建屋の回収工事が行われたため，実験ができず，１年の遅れが生じている．翌年度は，エリアセンサによる球の位置姿勢認識手法の検討や，回転機構の精度向上の検討，機械的支持による回転球の空力現象，特に負のマグナス力への影響調査等を実施した．
エリアセンサによる位置認識方法はある程度方向性とプログラム開発を行ったが，磁力支持天秤装置制御系への組み込みについては，今後実施していく必要がある．回転機構の精度向上については，軸受部と回転する球殻部の再設計を進めている．また，回転時に地球ゴマのように歳差運動が発生し，磁気力による支持が困難となる場合があったため，その原因についても，模型の重心位置と回転中心の関係から調査と改善策の検討を進めている．機械的支持による回転球の空力現象への影響については，ストラット，X型ワイヤー，I型ワイヤーの3種類の支持方法を用いて球を支持し，空気ジェットによる回転を与えた後回転が減衰していく状態の空気力計測を行った．これにより，機械的支持方法を用いた場合はいずれも，他の研究者が機械的支持を用いて調査した回転数やレイノルズ数と同条件において負のマグナス力が発生することを確認した．また，この条件は飛翔試験においては負のマグナス力の発生は報告されておらず，機械的支持のみで発生が報告されているため，各支持方法による影響ではなく，飛翔中の飛翔経路からの空気力推定精度が不足している，または時々刻々と変化する際には発生しづらいといった，原因である可能性が高いと考えている．前述の改善を施した磁力支持天秤装置と回転球模型により，これらと同じ条件における試験を実施することで，この課題ついてもさらなる検討を進める予定である．

Strategy for Future Research Activity

今後は，まず，精度向上させた回転機構を用いた球の空気力計測を，他の研究者が負のマグナス力を報告している回転数やレイノルズ数等の条件下で行い，飛翔試験の結果のみ異なる原因が，飛翔中の飛翔経路からの空気力推定精度が不足している，または時々刻々と変化する際には発生しづらいのどちらであるか考察する．また，この計測により支持干渉のない回転球の負のマグナス力発生条件を明らかにすることもできる．さらに，3種類の支持機構を用いた計測結果と比較することで，支持機構の特徴と影響，飛翔試験の特徴と影響，磁力支持試験の特徴と影響を総合的に評価する予定である．
その後は，エリアセンサにより球の位置姿勢認識・制御技術を磁力支持天秤装置に実装する．これと回転精度向上技術を組み合わせることにより，球のみならず，野球ボールやゴルフボールのように表面に構造を持った球状物体の磁気力による非接触支持を可能とし，競技中に各種ボールに働く空気力を評価する技術を獲得する計画である．また，これらの結果をまとめ，学会ならびに論文発表を通して社会へ発信する．
ただし，初年度の遅れが取り戻せていない現状もあるため，状況に応じて期間の延長も視野に入れ柔軟に計画を変更しつつ研究を進める予定である．