複雑流れ場における非定常三次元渦構造の解明とその制御

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13305014
• Research Institution: KYUSHU UNIVERSITY
• Principal Investigator: 井上 雅弘 九州大学, 大学院・工学研究院, 教授 (90037903)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 原 和雄 九州大学, 大学院・工学研究院, 助手 (00150491) ; 古川 雅人 九州大学, 大学院・工学研究院, 助教授 (30181449)
• Keywords: 複雑流れ / 渦流れ / はく離 / 失速 / 大規模渦構造 / 流れのコントロール / ターボ機械

Research Abstract

流体機械の小型・高負荷化に伴って,大規模渦構造が流力性能,熱伝達特性および振動・騒音発生に及ぼす効果は増大する一方である.すなわち,問題となる流動現象を回避あるいは制御するためには,それに関連した大規模渦の形成を検出し,その構造および非定常挙動を知的に制御する先進的技術の開発が求められている.本研究では,複雑流れ場として軸流圧縮機動翼列の内部流れ場に焦点を絞り,回転流れ場試験装置を用いた先進的な非定常流れ計測と大規模な非定常三次元数値計算を用いたEFD/CFDハイブリッド解析から,軸流圧縮機動翼列の失速点近傍におけるはく離を伴う複雑な渦流れ場の三次元構造および非定常挙動を調べた.その際に,失速現象の制御を企図して,はく離渦構造の初生過程とそれに関連した擾乱波の発生挙動も詳細に解析した.
その結果,翼先端隙間が小さい場合,流量の低下による迎え角の増加によって翼先端の負圧面前縁ではく離が生じ,負圧面とケーシング面に足を持つ竜巻状のはく離渦が形成されること,このはく離渦の一端が翼間を隣接翼に向かって伝播し,隣接翼の圧力面と干渉することによって,隣接翼で新たに前縁はく離が引き起こされ,旋回失速セルは成長していくことが明らかになった.一方,翼先端隙間が小さい場合,失速点近傍では翼端漏れ渦がスパイラル形の崩壊を起こし,翼間内を大きく自励振動すること,この崩壊に伴う自励振動は翼端漏れ渦とケーシング面の間欠的な干渉を引き起こすこと,この翼端漏れ渦とケーシング面の干渉は動翼の回転方向とは逆に翼間内を伝播すること,スパイラル形の渦崩壊を伴った翼端漏れ渦が翼負圧面と干渉する結果,翼負圧面とケーシング面に足をもった竜巻状のはく離渦が形成されること,この竜巻状はく離渦は翼間内を周方向に伝播すること,この伝播に伴ってケーシング面圧力の変動に擾乱波が現れることが明らかにされた.

Research Products

• [Publications] 吉田進一: "軸流圧縮機の旋回失速初生に及ぼす動翼先端隙間の影響"日本機械学会論文集,B編. 69巻681号. 1155-1162 (2003)
• [Publications] 原 和雄: "隔壁からの漏れ流れによって形成される縦渦と壁面の干渉"日本機械学会論文集,B編. 69巻681号. 1059-1066 (2003)
• [Publications] Masahiro INOUE: "Vortex Consideration in Turbomachinery"Proceedings of The 2003 ASME/JSME Joint Fluids Engineering Conference. (CD-ROM). (2003)
• [Publications] 小田 学: "境界層微小励起による柱状物体後流の渦放出位相制御"日本機械学会論文集,B編. 69巻681号. 2030-2036 (2003)
• [Publications] Kazutoyo YAMADA: "Numerical Analysis of Tip Leakage Flow Field in a Transonic Axial Compressor Rotor"Proceedings of International Gas Turbine Congress 2003 Tokyo. TS-030 (2003)