2005 Fiscal Year Annual Research Report
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
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16560160
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
山本 勝弘 早稲田大学, 理工学術院, 教授 (10063752)
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| 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 / CIP法 / キャビテーションモデル / 単発形超音速水噴流 / 衝突圧力 / 最適ノズル形状 |
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| Research Abstract |
水中の高速水噴流と大気中の単発型超音速水噴流について,それぞれ実験と数値解析により以下の成果を得た.
(1)水中の高速水噴流
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50MPa,100MPaの2ケースについて噴射時間1200sでアルミニューム試験片による壊食実験を行い,これまでの200MPaの結果と比較した.また,キャビテーションジェットの流動特性を解明するため,ノズル出口近傍の流れ場を圧縮性粘性流れとして数値計算した.2次元デカルト座標系でCIP法を適用し,ノズル入口で境界条件として実験値の吐出圧を,またキャビテーション噴流を模擬するため水と蒸気泡の気液二相流を設定した.その結果,(1)試験片の壊食量は吐出圧200MPaではノズルキャップ長さが短いほど大きくなったが,50-100MPaではその長さが10mm付近で最大となること,(2)一方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長さが短いほど大きいこと,(3)噴流は高周波の渦発生によって対称性が崩れ,蒸気泡の存在によって著しい渦中心の圧力低下が緩和されること,等が分かった.
(2)大気中の単発形超音速水噴流
流速500m/s級の大気中の単発形水噴流を2次元デカルト座標系でCIP法により数値計算し,実験結果と比較した.まずCIP法が高速な気中水噴流の数値解析に有用なスキームであることを確認し,本年度は数値解の安定性や精度におよぼす計算順序の影響,剛体壁面への衝突圧力などを調べた.その結果,(1)フラクショナルステップ法の計算順序は,移流項,拡散項,音響項の順が最も良好な結果を与えること,(2)剛体壁面への衝突圧力の最大値は150MPaに達しこれは水撃圧の約2割に相当すること,等が分かった.
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