2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study on reduction of airfoil friction-drag and noise by control of turbulent structures in transitional and turbulent regions
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19H02350
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
淺井 雅人 首都大学東京, システムデザイン研究科, 客員教授 (00117988)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲澤 歩 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (70404936)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 航空宇宙工学 / 乱流 / 乱流遷移 / 空力音 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
リブレットを用いた表面操作による乱流摩擦抵抗低減機構と乱流遷移への影響に関する研究ならびに層流域でのラフネスによるトーナルノイズの発生機構の解明と制御の2つの主課題に取り組んだ．
リブレット壁近傍のレイノルズ応力の生成や高レイノルズ数境界層遷移の特徴である微小ラフネスからの乱流楔の発生と関連した微細な乱流渦を捉えることのできる多点熱線センサアレイ（1㎜間隔に配置された48本の熱線アレイ）を製作した．この多点熱線センサアレイを活用して，最適の摩擦抵抗低減に導くリブレットサイズと乱れの生成機構との関係をリブレット壁近傍流れの安定性の視点から調べる実験的研究を開始した．
一方，層流域が拡大した場合，壁面のわずかな段差や孤立粗度があれば，それが起点となり音響フィードバックループが形成され狭帯域音（トーナルノイズ）が発生する．境界層中の突起（孤立粗度）によるフィードバック音の生成は，音波に対する境界層の受容性，境界層の不安定性，成長した不安定波と孤立粗度との干渉で構成される複合現象であり，境界層中で不安定波が強い渦にまで成長するかどうかがトーナルノイズ発生の鍵を握る．ここでは，音響フィードバックの構成要素を単純化し，フィードバック機構に対する影響因子（受容性，境界層の不安定性，圧力勾配，粗度条件等）を明確にすることのできる独自の実験デザインにより，フィードバック音発生の臨界突起高さに関する条件を調べた．臨界突起高さの圧力勾配や安定性の特性に対する依存性，フィードバックモデルとの対応などについて実験結果を得るとともに，PSE（Parabolized Stability Equations）に基づく撹乱の増幅度を計算し，ラフネス臨界高さと境界層安定性との関係を考察した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
リブレット壁上の乱流構造の生成を観察可能にする高分解能（1mm）の多点センサ熱線アレイの開発・製作に成功し，乱流摩擦抵抗低減の最適リブレットサイズ付近の壁面近傍の乱れの発生を捉えることができた．今後の研究の進展につながるツールを手に入れたことは大きな成果である．リブレット壁を有する乱流チャネル風洞において，この熱線アレイを用いて最適の摩擦抵抗低減に導くリブレットサイズと乱れの生成機構との関係を調べる実験を開始した．これまでの成果は国内外の講演会で発表された．また，リブレットの抵抗低減効果についても高精度の実験データを取得した．
音響フィードバックに対する境界層の不安定性および逆圧力勾配の影響を調べるための境界層板を用いて，フィードバック音発生の臨界突起高さを調べた．臨界突起高さの圧力勾配や安定性の特性に対する依存性，フィードバックモデルとの対応などについて実験結果が得られた．突起の臨界高さと境界層安定性との関係を考察するために，境界層の安定性解析（PSEに基づく）もなされた．研究成果については，国内の学会講演会で発表された（予定していた国際学会での発表は中止となった）．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の予定通り，リブレットを用いた表面操作による遷移領域を含む摩擦抵抗低減に関する研究および層流境界層領域のラフネスによる狭帯域音発生に関する研究に取り組む．
乱流域におけるリブレットの効果に関しては，最適リブレットサイズ付近で生じ得るリブレット壁近傍の粘性低層での不安定現象を捉えることがリブレットの低減効果の更なる改善を目指す上で重要であり，次年度はこの点に注力する．特に，リブレット壁近傍流れに制御された人工撹乱を与えて不安定特性を調べることを考えている．一方，リブレットを乱流楔や乱流斑点の発達領域を含む遷移域に適用したとき，乱流楔内の摩擦抵抗低減のみならず，乱流楔の成長抑制すなわち層流域の拡大によってどの程度の摩擦抵抗低減が期待できるかを調べる．
層流境界層中の突起や段差による音響フィードバック音の発生に関しては，音源の粗度（突起や段差）の上流に境界層厚さよりも十分に低い高さの孤立粗度が存在するときの音響フィードバックに対するラフネスの影響を明らかにするとともに，フェードバック音が生じる臨界突起高さのラフネスへの依存性についても実験的に明らかにする．また，境界層の安定性だけでなく受容性の視点からもフィードバック音の発生を調べる．
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