2015 Fiscal Year Research-status Report
樹冠モデルとしてのフラクタル構造物の抵抗と後流乱流の関係に関する研究
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15K05792
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
牛島 達夫 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50314076)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 博貴 山口大学, 理工学研究科, 助教 (10626873)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 乱流 / フラクタル / 空気抵抗 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，樹木のような物体の空気抵抗のメカニズムを樹木に掛かる抗力と後流乱流を測定することにより，明らかにすることである．このために，葉が木の幹の周囲をフラクタル状に空間分布していることに着目し，樹冠と同じフラクタル次元の人工物に掛かる力と周囲の流れの測定を行う．１年目は，次の３点を研究課題とした．(1)フラクタル構造物の空気抵抗測定のための基本設計と製作，(2)多点熱線プローブ用固定台および移動装置の設計製作，(3)フラクタル構造物周りの基本流れの測定．(1)は，フラクタル構造体を研究室所有の少額の３次元プリンターで製作することにした．３次元フラクタル構造は複雑なため，部位毎の印刷に工夫が必要で，試行錯誤の末，所望の構造物を製作することができた．抵抗測定には，６分力ロードセルを購入した．構造物の支持方法で，力については問題ないものの，想定以上のモーメントが掛かることがわかり，今年度は抵抗のみを測定できる設計変更で対応した．(2)は，多点熱線流速計の設計と材料購入に留まった．また，熱線流速計については細線検知部が室内の埃等で破損するほど脆弱であるので，応答性を落として，太線でより頑丈なものも設計した。また，多数のピトー管でも測定できるように準備した．(3)は，(2)の進捗が思わしくなかったので，(1)の抗力測定を先行させ，次のような知見を得た．予備実験として，フラクタル構造物と等しい投影面積の平板の抵抗を測定し，既知のデータと同等の測定ができることを確認した．段数の異なるシェルピンスキー四面体の測定では，期待に反して，高風速15m/s超，または高レイノルズ数10の5乗超では，抵抗は風速の2乗に比例する．特筆すべきは，抗力の実効値と平均値の比で，平板では5％であったものが，多重度が上がるほど小さくなり，３段では約1％まで低下することが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
項目によっては，抵抗測定など２年目の計画を前倒して，進められたところもあったが，一方，構造物の後流測定のための速度測定装置については，熱線流速計の回路に関して改良を加えようと試みたため（通常，両電源動作するものを片電源動作に仕様変更），回路設計に時間を費やしてしまい，計画が順調に進まないときのために，熱線流速計を購入したものの，多点測定できる速度測定装置を１年目の間に製作できなかった．その間に，埃対策のための応答性が低い（乱流の細かい変動は捉えられないが，構造体から発生する後流の大きな渦は捉えられる）太線の熱線流速計の設計および小型圧力変換素子によりピトー管で多点で計測できるように，電子部品等の材料を調達した．
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| Strategy for Future Research Activity |
抗力測定に関しては，１年目に得られた結果の再現性を確認し（２年目4～9月），現在，抗力のみしか測定できないものを，横力の少なくとも一成分は測定できるように測定方法に改良を加えていく(10～12月)．更に，構造物の寸法など測定条件の細部について改良点などを検討していく．後流の速度測定については，まず購入した熱線流速計で１点計測で測定点を変更しながら，後流の速度分布の平均構造を明らかにしていく（5～9月）．それと同時に，調達した電子部品を組み上げ，動作確認を行う(6～9月)．その後，多点測定用治具を組み（10月）多点同時測定を実施する(11月～)．抗力と速度の同時測定については，プロトタイプ（熱線１チャンネル＋ロードセル１チャンネル）のデータ取り込みについては8，9月中に実施し，多チャンネル同時測定に関しては1月頃から実施を行う．
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| Causes of Carryover |
海外出張により，フラクタルによって生成する乱流に関する情報を収集する予定であったが，国際会議のワークショップで招待講演をする機会に恵まれ，旅費が別の機関から支払われたため、相当額の費用が節約できた。また，フラクタル構造物に掛かる力測定で問題があり，その改良のために追加で力測定用のロードセルを購入する計画をしたが，選定の検討を要するために，年度内の購入を見送った．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
フラクタル構造物に掛かる力測定で，測定方法に一部問題があり，力のすべての成分を測定できていない．そこで，その改良のために，力測定用のロードセルを追加購入の予定である．
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