2018 Fiscal Year Research-status Report
Aerodynamics of an archery arrow
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18K03943
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| Research Institution | The University of Electro-Communications |
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Principal Investigator |
宮嵜 武 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (50142097)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 直也 東京電機大学, 工学部, 教授 (40313423)
杉浦 裕樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 主任研究開発員 (90358664)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | アーチェリー矢 / 空力特性 / 乱流遷移 / MSBS風洞実験 / 飛翔実験 / 加速度センサー / 高速度ビデオカメラ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
JAXAのMSBS風洞において、Re数領域3,000～13,000におけるアーチェリー矢の空力特性を測定した。加速度センサーを用いる飛翔実験と比較するために、ストレート矢羽で計測した。層流境界層に対応する1.5程度の抗力係数が得られた。
電通大実験室と江戸川区の屋内アーチェリー場でRe数領域10,000～18,000における飛翔実験を行った。圧縮空気を用いたたわみ振動させない発射では、Re数が14,000以下で層流抗力係数値が得られ、MSBS風洞実験での測定結果と一致した。また、14,000～18,000が遷移領域がとなることが確認された。従来の高速度カメラ画像の解析に基づく計測値と加速度センサーによる計測値はおおむね一致するが、後者の標準偏差がより小さくなることから測定精度の向上が期待される。一方、矢の飛翔軌道と飛翔姿勢を剛体の運動方程式に基づいた数値計算結果からは、矢の発射における初期条件（特に矢の初期角速度）を理想化することで、飛翔中の矢につく迎角を低減できることが確認されているので、今後はそのような矢の発射を試みて、乱流遷移に対する迎角の影響を調べる。
境界層遷移の理論的な研究では、まず無回転状態の矢側面境界層流れの線形安定性を平行流近似に基づいて解析した。Re数領域10,000～20,000では、周回方向波数m=1とm=2の非軸対称モードが成長する。しかし、その成長率は小さく、成長領域も狭いために、N値で評価すると乱流遷移には至らないと推定された。飛翔実験で実際に観察される乱流遷移は、線形不安定性を経由しないメカニズムによる可能性があることが分かった。また、矢羽の効果で矢は自転するため、境界層流れの不安定化に対するその影響を調べた。スピンパラメターの増加にともなって、不安定性成長率は増加するが、N値は乱流遷移には至るほどには増加しなかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
風洞実験：MSBS風洞の電源部の故障とその修復のために、風洞実験日程が2019年2月以降にずれ込み、数多くのデータを取得することができなかった。現時点では、気流に平行に置かれたアーチェリー矢の空力特性が、従来の結果と整合することを確認している。
飛翔実験：加速度センサーの作製に時間がかかったために、電通大実験室内で20m程度の短い飛翔距離を行うことに留まっている。乱流遷移を起こすレイノルズ数領域の確認はできているが、矢の飛翔姿勢と乱流遷移の関係についての詳細な情報は得られていない。無風状態の屋内アーチェリー場（江戸川区）における50m超の飛翔実験を実行して、高速度カメラ映像解析による抗力係数と加速度センサーによるものを比較することが必要である。
理論解析：鏃形状を反映した軸対称境界層流れに対する平行流近似に基づく線形不安定性は完了した。しかし、線形不安定であるにも関わらず乱流遷移に至っていないことが判明した。当初の予定では、BiGlobal線形安定性解析によって境界層の不安定化のメカニズムに迫るつもりであったが、Bypass遷移などの異なる乱流遷移メカニズムに注目する必要が生じた。そのための基本流として、気流に対して傾いたアーチェリー矢の境界層流れを数値計算によって求めることが必須となった。
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| Strategy for Future Research Activity |
風洞実験：9月に予定されているMSBS風洞実験では姿勢制御システムの改良を行い、アーチェリー矢を気流に対してわずかに傾けて境界層流れの乱流遷移現象を調べる。姿勢制御能力が確認できれば、アーチェリー矢を振動させた動的な実験に移行することが期待される。
飛翔実験：屋内アーチェリー場（江戸川区）における飛翔実験を6月、8月、11月に実行する予定である。高速度カメラ映像解析による抗力係数と加速度センサーによるものを比較するとともに、加速度センサーのデータから瞬間的な空力特性を求め、乱流遷移現象の解明を行う。そのために、複数の加速度センサーを使用して、アーチェリー矢の重心、先端、後端の運動を把握する必要がある。まず、たわみ振動を抑えた発射によって、剛体運動するアーチェリー矢の飛翔姿勢を調べる予定である。
理論解析：軸対称流のBiGlobal線形安定性解析と傾いたアーチェリー矢の境界層流れの安定性解析を行う予定である。特に後者では、高精度な基本流が必須であり、気流に対して傾いたアーチェリー矢の境界層流れを3次元コード（作成済）で大規模数値計算を実行する（東北大学流体科学研究所の計算機を使用予定）。また、昨年度に得られた線形不安定モードの2次不安定性を調べ、線形不安定性を経由する乱流遷移過程の可能性を確認する。
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| Causes of Carryover |
少額のため。
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Research Products
(4 results)
