2021 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 東京都立大学, 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 東京都立大学, 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 / 抵抗低減 / リブレット |
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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，粗面壁に沿う境界層の安定性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に取り組んだ．
リブレット壁上の瞬間ストリーク構造とその崩壊を捉えることのできる高分解能の多点熱線センサアレイを活用して，摩擦抵抗低減に導く最適リブレットサイズの流れ構造と乱れの生成機構をリブレット壁近傍流れの安定性の視点から調べた．リブレットによる抵抗低減はリブレット間隔及び高さがある値までは直線的に増加するが，Viscous Breakdownと呼ばれる現象により抵抗低減効果が頭打ちになることが直接数値シミュレーションで報告されている．この現象を多点熱線プローブにより初めて実験的に観察することができ，その時のリブレット近傍流れにおける高周波変動の成長を実験的に捉えた．これは各種リブレット形状の低減効果を比較する上での重要な視点を与える．
圧縮性ナビエストークス方程式に基づく直接計算により正弦波状の分布粗度が流れの不安定性と音響受容性に及ぼす影響が調べられ，音響撹乱に対する受容性が，波打の波長が励起されるTS波長と同じ場合に最大となり，連続する波打の撹乱受容は波打1周期で受容される撹乱の重ね合わせで表現できることなどが示された．
層流境界層中に壁面のわずかな段差や孤立粗度があれば，それが起点となり前縁との間で音響フィードバックループが形成され，翼後縁ノイズと同様の狭帯域音（トーナルノイズ）が発生する．本年度は，前縁受容性と境界層の安定性（表面段差の近傍を含め）の視点からフィードバックループの素過程を明らかにするとともに，従来のフィードバックモデルによるトーナルノイズ周波数と実験結果との違いについて考察した．
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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
リブレット壁を有する乱流チャネル風洞において，高分解能の多点センサ熱線アレイを用いて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観察し，リブレット壁上の粘性低層流れのブレークダウン現象（viscous breakdown）を実験的に初めて観察するとともに，最大抵抗低減率を実現するリブレットサイズとリブレット近傍流れ（粘性底層）のブレークダウンが始まるリブレットサイズとの関係を実験的に検証することができた．この成果は2021年の理論応用力学国際会議（25th ICTAM）で発表された．また，実用上重要となるリブレットの抵抗低減効果に対するヨー角（溝方向と主流速度方向のなす角）の影響を乱流チャネル風洞を用いて調べ，直線リブレットで6～7％の抵抗低減効果が期待される頂角30度の台形断面リブレットでは，ヨー角が10度までは直線リブレットと同じ低減効果があるが，15度以上になると低減効果がなくなることが見出された．また，ヨー角15度ですでにリブレット先端で剥離が起きていることが確認された．この抵抗低減効果の限界ヨー角は，従来ヨー角効果の指針とされてきた三角形断面リブレットの場合と比べ5～10度程度小さい．
壁面の波打ち（正弦波状の分布粗度）が流れの不安定性と音響受容性に及ぼす影響を直接数値計算により調べた．壁面形状は界面埋め込み法により再現された．流れの不安定性と音響受容性の数値実験結果は学会及び国際会議で発表している．
境界層中の二次元ラフネスによる音響フィードバック減少に関して，境界層の受容性と不安定性の視点から考察を進め，臨界ラフネス高さの境界層安定性と前縁受容性に対する依存性，フィードバックループの素過程，従来のフィードバックモデルとの対応などに関して新たな成果を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
乱流摩擦抵抗に対するリブレット効果に関しては，これまでの成果を国内外学会で発表するとともにジャーナルに投稿する．新たな実験に関しては，リブレットの頂角を小さくすると抵抗低減率は増加するがヨー角に対するロバスト性が失われる可能性があることが示されたので，リブレットの実機適用の観点からヨー角の影響をさらに調べる必要がある．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，実験結果はほぼ得られたので，フィードバックループの理解をより進めるために境界層不安定性の数値解析と圧縮性ナビエストークス方程式に基づく直接数値計算を用いた前縁受容性係数の評価を行う．これによりトーナルノイズの周波数が流速の増加と共に梯子状に変化する現象を解明することが出来ると期待される． 成果を学会発表やジャーナル論文として公表する．
波状壁上に発達する境界層遷移の数値実験に関しては，二次元計算を三次元に拡張し，三次元波状壁の音響撹乱受容性と不安定性に及ぼす影響について調べる．成果は学会発表や学術論文として公表する．
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