Flow Morphing Technique by Plasma Actuator Jet

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06168
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 石川 仁 東京理科大学, 工学部機械工学科, 教授 (90311521)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 青野 光 東京理科大学, 工学部機械工学科, 助教 (10623712) ; 本阿弥 眞治 東京理科大学, 工学部機械工学科, 教授 (30089312)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: プラズマアクチュエータ / 流体抵抗 / 抵抗低減 / 流れの制御 / モーフィング

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，物体に作用する流体抵抗を，プラズマアクチュエータで生成したジェットや渦によって物体周りの流れを変化させ，物体形状そのものの変形によって得られるのと同等の抗力低減を実現するフローモーフィング技術を創発することを目的とする．本年度では，主に数値シミュレーションによって，同軸型プラズマアクチュエータによるフローモーフィングの効果，すなわち円板周りの流れ場の変化と抗力低減の効果を確かめた．まず研究計画にあるように，主流のない静止流体中でジェットの様子を調べた．ジェット流速の増減パラメータに相当する数値モデルの体積力Dcを0.025,0.05および0.1と変化させた．Dcを増加させると誘起されるジェットの流速が大きくなること，その時のジェットの衝突の様子や，吹き上がりの様子と円板正圧面に形成される渦構造の詳細を明らかにできた．
次に，一様流中でフローモーフィングの効果を確かめた．一様流の速度に基づくレイノルズ数Reはこれまでの実験と同じ5,000に加え10,000と，また実用領域の乱流中での効果を確かめるため，さらに高いレイノルズ数50,000に設定し計算を行った．その結果，一様流中においても同軸型プラズマアクチュエータからのジェットの衝突により，円板近傍に主流と逆方向の流れ，および渦領域が形成されることを確認した．また流線の分布から，主流中においてもDcを大きくした場合の渦形成領域の直径変化を定量的に調べることができた．
抗力低減の大きさを調べたところ，Re=10,000，Dc＝0.1の条件で抗力低減の割合が最も高く，約10％の結果を得た．本研究で提案するフローモーフィングによる抗力低減の効果が数値シミュレーションによっても確かめられたことは大きな成果である．

Current Status of Research Progress

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

Reason

数値シミュレーションによっても円板抗力の低減を得られたことは，本研究で提案するフローモーフィング技術の有効性を示す大きな成果である．低いレイノルズ数であるRe=5,000では全てのジェット吹き出し速度で抗力が低減し，それより大きな10,000でも吹き出し速度を増加させることで大きな低減効果を得ることができた．しかし，より高いレイノルズ数であり乱流が顕著になった50,000では，吹き出し速度を大きくしても低減効果は得られなかった．このことは，フローモーフィングの効果が，制御なしの状態で円板からはく離する渦の形態にも影響されることを示唆する結果と考える．今後はフローモーフィングの適応領域を拡張するため，実験と計算の両方で，高レイノルズ数での実験を行っていく．当初の予定であった，速度分布や抗力などの特性量は取得することができた．
実験では，新しく高精度の抗力測定装置を制作中である．プラズマが発生する電気ノイズ等によりセンサによる抗力測定が行えない可能性が出てきたので，円板表面の圧力分布から抗力を測定することも計画中である．ＰＩＶ計測により，プラズマアクチュエータ駆動時に円板正圧面に形成される渦形成領域の渦度の測定ができるようになった．これにより，制御入力パラメータによらず流れ場の特徴からも，抗力低減メカニズムと制御パラメータの考察が可能になった．また本年度購入したレーザーを使用して流速を計測するための，別のＰＩＶシステムも構築中である．

Strategy for Future Research Activity

数値シミュレーションは，計算を二次元から三次元に拡張する予定である．三次元に拡張を行うことで軸対称以外の形状へのフローモーフィング技術の適応も検討することができる．併せて，入力電圧や入力周波数などプラズマアクチュエータの制御パラメータについては，引き続き数値シミュレーションにて検討を行う．
通常のプラズマアクチュエータの制御では，プラズマアクチュエータを連続ではなく完結的に駆動するバースト制御が用いられてる．本年度の予備試験により，バースト制御によっても抗力低減効果が得られることを示唆するデータが得られたので，今後はバースト制御も試みる．より高い抗力低減効果を得るため，バースト制御のデューティー比についても検討を行うこととする．
フローモーフィングによる抗力低減メカニズムの検討に関しては，本年度の数値シミュレーションにより，円板正圧面に形成される渦と円板端面から放出される渦に時間的な相関があるような挙動が新たに見いだされた．抵抗低減メカニズムとしては，この他，プラズマジェットが形成される渦の低圧領域による誘引も考えられるので，総合的に検討していく．メカニズムを明らかにし，円板以外の他の流れ場へのフローモーフィング技術の応用を考える．

Causes of Carryover

（理由）全体的な予算額の都合上，購入を考えていたレーザーを，出力がやや小さく安価なものに変更できたため．レーザーが出力の小さい分は光学系の補器や熱線流速計による計測結果の補完で補うこととする．

（使用目的）繰り越し分については，平成３０年度の助成金と合わせ，新たな熱線流速計や抗力測定のための圧力計測システム，および消耗品の購入に使用する予定である．