三次元超音速噴流の密度測定に対するレインボーシュリーレン断層撮影装置の開発研究

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05804
• Research Institution: The University of Kitakyushu
• Principal Investigator: 宮里 義昭 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (30253537)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: レインボーシュリーレン / 超音速噴流 / 衝撃波 / 流れの定量的可視化

Outline of Annual Research Achievements

超音速噴流は，航空宇宙産業，鉄鋼業，繊維業，農業等のさまざまな分野で幅広く利用されており，その内部構造を調べることは学術的および工学的に非常に価値がある．近年，コンピュータの発達により，超音速噴流の流れ場をＣＦＤを用いて数値的に解く試みもされているが，数値計算の実験的検証の多くは，シャドウグラフ法やシュリーレン法による可視化結果との定性的比較や噴流の中心軸上のピトー管による圧力値との比較に留まっている．本研究では，レインボーシュリーレン偏向法にＸ線撮影などでよく利用されるＣＴの原理を組み合わせることで，超音速噴流の三次元の密度場を計測可能なシステムの開発を行った．平成28年度の研究結果を要約すると以下のようになる．
１．設計マッハ数が１．５の軸対称超音速ノズルからの噴流の密度場を計測し，アーベル変換とＣＴの原理に基づく密度場の再構成を行った結果，両者が定量的によく一致することを示した．また，両者による計測値は，不足膨張の程度が弱い場合に信頼性のある微小変動理論値とも定量的によく一致することを示した．
２．設計マッハ数が１．５の正方形断面の超音速ノズルからの噴流の密度場を計測し，ＣＴの原理に基づく密度場の再構成を行い，不足膨張の程度が弱い場合に信頼性のある微小変動理論値と比較した結果，両者が定量的によく一致することを示した．また，噴流からの密度場は，噴流軸に垂直な断面の等密度線の形状が，流れ方向に四角形からひし形に変形し軸対称へと変化する複雑な三次元の密度場となっていることを実験的に明らかにした．
３．上記１と２の超音速噴流の密度場をＲＡＮＳシミュレーションによって，再現した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

28年度の研究によって，当初の目標通りノズル出口で軸対称と正方形断面をもつ先細ノズルからの不足膨張噴流とノズル出口で軸対称と正方形断面をもつ設計マッハ数１．５のラバルノズルからの不足膨張噴流の三次元密度場を計測可能なシステムの開発に成功した．

Strategy for Future Research Activity

平成28年度の実験と数値計算によって，正方形断面をもつノズルからの不足膨張超音速噴流の密度場は，噴流軸に垂直な断面の等密度線の形状が，流れ方向に四角形からひし形に変形し軸対称へと変化する複雑な構造となっていることを示した．この現象を超音速噴流の密度場計測で明らかにしたのは世界で初めてである．平成29年度は，ノズル出口の断面がアスペクト比４の長方形断面の場合の衝撃波を伴う噴流の三次元構造を実験的および数値計算によって明らかにする予定である．また，平成28年度の研究結果を国内および国外の学術論文誌等で公表する予定である．

Research Products

• [Journal Article] Optical Measurements of Shock Waves in Critical Nozzles at Low Reynolds Numbers (2017)
  • Author(s): Yagi,S., Inoue,S., Nakao,S., Ono,D., and Miyazato,Y.
  • Journal Title: Journal of Flow Control, Measurements & Visualization Volume: 5 Pages: 36-50
  • DOI: 10.4236/jfcmv.2017.52003
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Optical Flow Investigations of Shock Induced Flow Separation in Critical Nozzles at Low Reynolds Numbers (2016)
  • Author(s): Yagi,S., Inoue,S., Nakao,S., Ono,D., and Miyazato,Y.
  • Organizer: 13th International Conference on Flow Dynamics
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-10-10 – 2016-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Optical Measurements of Shock Wave Oscillations in Critical Nozzles at Low Reynolds Numbers (2016)
  • Author(s): Yagi,S., Inoue,S., Nakao,S., Ono,D., and Miyazato,Y.
  • Organizer: 13th International Conference on Flow Dynamics
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-10-10 – 2016-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] RANS Simulations of Overexpanded Critical Nozzle Flows at Low Reynolds Numbers (2016)
  • Author(s): Yagi,S., Nakao,S., Ono,D., and Miyazato,Y.
  • Organizer: 13th International Conference on Flow Dynamics
  • Place of Presentation: 仙台国際センター（宮城県仙台市）
  • Year and Date: 2016-10-10 – 2016-10-12
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Michelson Interferometric Meaurements and Numerical Calculations for Axisymmetric Supersonic Microjets (2016)
  • Author(s): Muranaka,T., Ono,D., Nakao,S., and Miyazato, Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary Experiments on Quantitative Visualization of Shock Trains by Rainbow Schlieren Deflectometry (2016)
  • Author(s): Matsuyama,A., Takano,H., Ono,D., Nakao,S., and Miyazato,Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurements of Shock Train Oscillations by High-Speed Mach-Zehnder Interferometers (2016)
  • Author(s): Goto,S., Kitamura,K., Ono,D., Nakao,S., and Miyazato,Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Measurements of Oscillating Shock Train by Laser Schlieren Methods (2016)
  • Author(s): Kitamura,K., Goto,S., Ono,D., Nakao,S., and Miyazato,Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rainbow Schlieren Measurements in Underexpanded Jets from Axisymmetric Supersonic Micro Nozzles (2016)
  • Author(s): Fukuda,H., Maeda,H., Ono,D., Nakao,S., Miyazato,Y., and Ishino,Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Application of Rainbow Schlieren Deflectometry for Slightly Underexpanded Supersonic Jets from Axisymmetric Laval Nozzles (2016)
  • Author(s): Maeda,H., Fukuda,H., Ono,d., Nakao,S., and Miyazato,Y.
  • Organizer: The 27th International Symposium on Transoport Phenomena
  • Place of Presentation: Honolulu,USA
  • Year and Date: 2016-09-20 – 2016-09-23
  • Int'l Joint Research