超音速内部流れに形成されるショックトレーンの振動特性とその抑制法に関する研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13450078
• Research Institution: University of Kitakyushu
• Principal Investigator: 松尾 一泰 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (30037759)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮里 義昭 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 助教授 (30253537) ; 青木 俊之 九州大学, 大学院・総合理工学研究院, 教授 (20150922) ; 片野田 洋 北九州市立大学, 国際環境工学部, 講師 (40336946)
• Keywords: 超音速流れ / ショックトレーン / 擬似衝撃波 / 衝撃波・境界層干渉 / 流れの振動

Research Abstract

断面積一定の矩形直管ダクト内および簡単な形状の超音速ディフユーザ内に形成されるショックトレーンに対して、流れ方向静圧分布とシュリーレン法、レーザ誘起蛍光法による光学的観察などにより、その三次元構造と振動特性に関して実験した。また、三次元圧縮性ナビエ・ストークス方程式を用い、流れ場の三次元数値解析を行った。本研究により得られた成果の概要はつぎのとおりである。
1.断面積一定の直管内に形成されるショックトレーン内部の流れ、特に管路コーナー部における複雑な衝撃波構造を解析的に調べ、その結果を実験結果と比較した。流れは強い三次元構造をしているが、これは隣り合う面から発生する衝撃波同士の干渉によるもので、隣り合うコーナー部の衝撃波構造をモデル化すれば、数値解析結果は大体実験結果と一致する。
2.ショックトレーン領域における静圧分布などの特性を実験的に求めた。また、円形断面の管と矩形断面の管を比較し、円管の直径の代わりに管の等価直径を用いても実験結果と若干合わないことを示し、矩形断面の管に対して流れ方向の時間的平均静圧分布を有効に推測できる実験式を求めた。
3.超音速ディフユーザ内に形成される多数の衝撃波群が形成される過程を実験的に詳細に調べ、ディフユーザ出口からの圧力じょう乱が上流へさかのぼる過程で衝撃波群が形成されることを示した。
4.ショックトレーンを含み、流れ方向の多数の点で静圧の時間的変動を測定した。その結果をスペクトル解析した結果、分枝した先頭衝撃波の足元から圧力じょう乱が下流に向かって伝播するとともに、下流の乱流境界層部分から圧力じょう乱が上流に向かって伝播していることが明らかになった。このような圧力じょう乱の上下流方向への伝播がショックトレーンの振動を誘起していると考えられ、振動の原因を特定することができた。

Research Products

• [Publications] 半田太郎: "衝撃波を含むダクト内超音速流れ場の数値解析"九州大学情報基盤センター年報. 2. 35-44 (2002)
• [Publications] K.Matsuo: "Structure of Shock Trains in Constant Area Ducts"Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics, and Thermodynamics. 3. 1859-1864 (2002)
• [Publications] T.Handa: "Formation of Multiple Shocklets in a Transonic Diffuser Flow"Shock Waves - An International Journal. 11. 423-430 (2002)
• [Publications] T.Handa: "Mechanism of Shock Wave Oscillation in Transonic Diffusers"AIAA Journal. 41・1. 64-70 (2003)
• [Publications] K.Matsuo: "Shock Train and Pseudo-Shock Phenomena in Supersonic Internal Flows"Journal of Thermal Science. 12・2. 204-208 (2003)