超音速流中における物体周りの流れと気体の混合過程の解明

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09750177
• Research Institution: Saitama University
• Principal Investigator: 小原 哲郎 埼玉大学, 工学部, 助教授 (80241917)
• Keywords: 圧縮性流れ / 計算流体力学 / 衝撃波 / 超音速流れ / 流れの可視化

Research Abstract

極超音速輸送機の推進器として超音速流中で燃焼を行うスクラムジェットエンジンが有望視されている。スクラムジェットエンジンの開発するには、マッハ数が大きく変動する超音速流中で安定した燃焼を保持することが必要であり、乱流混合拡散火炎による燃焼が最適と考えられている。乱流混合拡散火炎による燃焼の保持の可否は、燃料と酸化剤の乱流混合過程に依存する。混合と保炎の促進及び燃料噴射を行う機構としてストラット保炎器がある。ストラットの形状及び姿勢の決定には、ストラット周りの流れ場を調べることが重要である。さらに、ストラットから燃料を噴射する際にストラット周りの流れ場を把握する必要がある。
本研究では、まずマッハ数3の超音速流中におけるストラットを模した二次元非対称くさび周りの流れ場の可視化を行った。次に、マッハ数3の超音速流中に気体噴射口を設けた平板を設置し、気体を主流に対して垂直に噴射した際の平板上の流れ場を可視化した。実験において、超音速流の生成には無隔膜型衝撃波風洞を使用し、流れ場の可視化にはカラーシュリーレン法を用いた。実験を行うに当たり、衝撃波風洞の作動特性を予め把握するため、無隔膜バルブ内のピストンの運動を考慮して数値計算による解析を行った。
衝撃波風洞の作動特性に関する数値計算の結果、観測部に形成される一様流の持続時間、衝撃波管内の圧力波の挙動などの作動特性を把握することができた。二次元非対称くさび周りの流れ場の可視化実験では、非対称三角柱周りに形成された流れ場を可視化した。その結果、くさび先端の付着衝撃波、くさび肩部の膨張波領域などの構造を明らかにした。気体の垂直噴射を伴う平板上の流れ場の可視化実験では、噴射気体としてヘリウムを用いた。写真より気体噴射に伴う弓形衝撃波が捉えられ、噴射気体の全圧が大きいほど主流中への噴射気体の貫通が良いことが確認できた。

Research Products

• [Publications] OBARA T.,TAKAFUJI R.,YAMANAKA A.,OHYAGI S.: "A Study of Shock Wave Diffraction from an Open End of the Tube" Proc.of the Twenty-first International Symposium on Space Technology and Science. 1. 927-932 (1998)
• [Publications] OBARA T.,MURATA Y.,OHYAGI S.: "Numerical Simulation of a Supersonic Flow behind a Backward-Facing Step with Gas Injection" Proc.of the Twenty-first International Symposium on Space Technology and Science. 1. 110-116 (1998)
• [Publications] SATOH D.,OBARA T.,OHYAGI S.: "A Study of the Performance of Shock Tunnel and Supersonic Flow Field around a Wedge" Proc.of the Twenty-first International Symposium on Space Technology and Science. 2. 1939-1943 (1998)
• [Publications] 高藤亮一,山中昭央,小原哲郎,大八木重治: "回析した衝撃波の反射に関する研究" 平成9年衝撃波シンポジウム講演論文集. 119-122 (1998)
• [Publications] 佐藤大介,春木雅宏,小原哲郎,大八木重治: "衝撃波風洞の作動特性とくさび周りの流れ場" 成9年度衝撃波シンポジウム講演論文集. 409-412 (1998)