2019 Fiscal Year Research-status Report

回転する球状物体に作用する臨界レイノルズ数付近の流体力計測

Research Project

Project/Area Number	18K17851
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	奥泉寛之東北大学, 流体科学研究所, 技術専門職員 (60647957)
Project Period (FY)	2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords	回転球 / 磁気力浮揚
Outline of Annual Research Achievements	本研究では、東北大学流体科学研究所の1-m 磁力支持天秤装置（1-m MSBS）を用い、ゴルフボールの様な球体にディンプルが付いた回転体の位置姿勢を空間的時間的平均化処理により通常の非回転球の場合と同様に磁力支持する流体力計測技術を獲得することによって、物体まわりの流れが変化する臨界レイノルズ数領域を含んだ流れ中での支持干渉のない空力特性を明らかにすることを目的としている。 1-m MSBSは、模型に挿入した永久磁石と周囲に配置したコイルが作る磁場の相互作用により模型を空中に非接触で支持する。模型の位置姿勢は複数台のラインセンサーカメラで測定されコイル電流フィードバック制御用計算機に入力される。1-m MSBSに今まで用いていたセンサー系は本研究対象にそのまま適用できなかった為、前年度は新センサー系への改修と精度検証を行った。当該年度はこの新センサー系を用いて、平滑な表面の球模型の磁気力浮揚試験と浮揚状態での回転試験を行った。前年度の結果をもとに、模型の磁気力浮揚に必要なセンサー精度を得るため、ラインセンサーカメラ設置治具を大幅に改良し、センサー信号処理手順に非線形項を導入した。そして先ず、平滑な表面の球模型を非回転状態で安定して浮揚できることを確認した。さらに、圧縮空気を2つのノズルから噴出させたジェットを球模型表面に噴射することによる空気力で、磁気力浮揚した状態の平滑な表面の球模型を低速で回転させることに成功した。ただし、計画していた回転数まで回転数を上げるためには、模型にさらなる改良を行う必要がある事も判明した。また、同時期に再実施したディンプルつき球のセンサー精度検証により、空間的平均化はディンプルような表面形状の影響を大幅に低減できるものの、センサー精度を著しく悪化させることが分かったため、代替の対策を検討している。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 初年度、確保できた1-m磁力支持天秤装置の利用期間が年2回と少なくまた模型に用いる特注ネオジム磁石の輸入が遅れた影響により、研究の進捗が遅れていた。当該度はこれを挽回する計画であったが、年度当初には予定していなかったラインセンサーカメラ設置治具の改良を行う必要がでてきたた為、新センサー系での球模型浮揚と回転には成功したものの、空気力計測に取り掛かることができなかった。また、ディンプルのような表面形状の影響を低減させるために予定していた空間的平均化が予想よりも大幅にセンサー精度を悪化させることが分かったことより、代替案を検討する必要が出てきたことも要因である。
Strategy for Future Research Activity	当該年度は平滑な球模型の磁気力浮揚と回転に成功したものの、必要回転数を得るためには模型に改良が必要であことが分かった。先ずは模型改良を行い、平滑な表面の回転球模型の流体力計測を行う。ディンプル付きの球については、平滑な表面の球模型と部品を共有するなどし、試験実施までの工数を低減する。ただし、空間的平均化を用いたディンプル様表面形状の影響低減については見通しが良くないため、ローパスフィルターを用いた時間的平均化と併せた対策を早期に検討し、妥当性の検討を行う。そして、これらについて学会等で発表するとともにジャーナルへ投稿することにより、最低限の成果を発信することが出来ると考えている。また別途獲得した科研費で、1-m 磁力支持天秤装置に対して非接触計測技術であるParticle image velocimetry (PIV)を用い、流れ場の可視化を行う準備も並行して進んでいる。当該年度はHelium Filled Soap BubbleをPIV用シードとして用いるための準備試験を実施した。最終的に、この非接触計測技術と融合させ、回転球周りの流れ場を理解する助けとなるデータを得ることも検討している。しかしながら、コロナ禍への対策により、4月5月に予定していた模型改良のための部品製作等が遅れている。今後の状況によっては研究のさらなる遅れも予想されるため、状況に応じて最大限の成果を得るべく柔軟に研究を進める。
Causes of Carryover	当該年度に研究の遅れが生じ、予定していたディンプル付き模型を製作できなかったことにより次年度使用額が生じた。平滑な表面の回転球模型の改良やディンプル付き回転球模型の製作等に使用する予定である。