2020 Fiscal Year Annual Research 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 / MSBS風洞実験 / 飛翔実験 / 乱流遷移 / 再層流化 / 飛翔姿勢制御 / 背景風の影響 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
アーチェリー矢の空力特性を磁力支持天秤装置付き（MSBS）風洞における風洞実験と飛翔実験によって調べた。MSBS風洞実験では、矢シャフト内にネオジウム磁石を挿入し、風洞周囲に設置した10個の電磁石によって矢を浮遊させ、機械的支持具による流れへの干渉を回避した。屋内アーチェリー場（江戸川区総合体育館）における飛翔実験では、矢の飛翔状態を複数の高速度カメラで撮影して、その映像から矢の速度などを解析するとともに、矢のシャフト内に加速度センサーを挿入して、瞬間的な減速率や回転数などを計測した。これら２つの支持具干渉のない実験によって、アーチェリー矢の空力特性（抗力・揚力・ピッチングモーメント係数）が高精度に計測された。
アーチェリー競技の行われるレイノルズ数（2万程度）は、アーチェリー矢の側面境界層流れが乱流遷移する領域にあり、境界層流れが層流を維持する場合と乱流となる場合では抗力係数が1.3から2.6に変化することが分かった。遷移領域では矢の飛翔姿勢（迎角）が境界層流れの状態を決定することが示唆され、加速度センサーから得られる減速率変動は、乱流から層流への遷移とその逆遷移がともに瞬間的に起きることを示した。
以上の計測結果に基づいてアーチェリー矢の飛翔軌道と飛翔姿勢を予測する数値計算を実行した。初期回転角速度を理想的な値に設定すると、静止流体中や一様な背景風中を飛翔する矢にはほとんど迎角がつかず、層流境界層が実現される。そして、層流境界層を保ち、抗力係数を減らすことが、背景風による的ずれを軽減することが示される。一方、背景風が時間・空間的に変動する場合には、飛翔中の矢の迎角が大きくなり、乱流遷移が誘起される可能性がある。野外における背景風の影響で境界層の状態が制御しきれない場合は、質量が大きく、初速の大きな矢ほど的ずれが軽減されることが分かった。
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