高速水噴流の流動特性と最適なノズル形状に関する研究

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16560160
• Research Institution: Waseda University
• Principal Investigator: 山本 勝弘 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10063752)
• Keywords: ウォータージェット / キャビテーションジェット / 壊食曲線 / HSMAC法 / キャビテーションモデル / パルス形ウォータージェット / CIP法 / 最適ノズル形状

Research Abstract

本年度の研究計画に沿って,水中の高速ウォータージェットと大気中の超高速パルス形ウォータージェットについてそれぞれ以下のような実験と数値解析を実施した.
(1)キャビテーションジェット
高速キャビテーションジェットの加工能力におよぼすノズルキャップ形状の影響を調べるため,穴径0.155mmのオリフィス形ノズル出口に内径4mm,長さ5-40mmのノズルキャップを取り付け,吐出圧200MPa,噴射時間1200sでアルミニューム試験片による壊食実験を行った.また,キャビテーションジェットの流動特性を理論的に解明するため,大気圧下の静止水中に一定速度の水噴流を噴射したとき生じるノズル出口近傍の流れ場を非圧縮性粘性流れとして数値計算した.その結果,(1)質量欠損はノズルキャップ長さが10mm以上で急激に減少する,(2)キャビテーションによる試験片表面の損傷面積はキャップ出口からの距離が30mmを過ぎると,キャップ長さの増加と共に小さくなる,(3)円筒座標系でHSMAC法を適用し,噴流速度として実験値を与えると高周波の渦発生が認められたが,計算格子点に擬似的なキャビテーション気泡を配置すると著しく低下する,こと等が分かった.
(2)超高速パルス形ウォータージェット
流速500m/s級の大気中高速パルス形ウオータージェットを2次元直角座標系でCIP法により数値解析し,シュリーレン法による噴流写真などと比較した。その結果,(1)CIP法は高速な気中水噴流の挙動解析に有用なスキームである,(2)気液界面及び気中衝撃波などの不連続面においては1次精度の風上差分を一部併用することで,数値振動や数値拡散を容易に抑制できる,(3)ノズル出口の流速を一定とするとCumulation方式に,ノズル出口の流速を急激に増加させるとImpact-Extrusion方式に近い噴流が得られる,こと等が分かった.