2020 Fiscal Year Research-status Report
マイクロ風向風速センサによるレイノルズせん断応力の高精度計測
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19K04237
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
保浦 知也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00324484)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 乱流 / 熱線流速計 / 抵抗線温度計 / レイノルズ応力 / 風向風速計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、「マイクロ風向風速センサによるレイノルズせん断応力の高精度計測」を実現することである。乱流中における熱および物質の移動を定量的に予測するためには、速度、温度および濃度変動の同時計測により、レイノルズせん断応力を始めとする相関量を計測する必要がある。本研究は、熱線流速計と抵抗線温度計群を組み合わせたマイクロ風向風速センサを開発し、センサ形状の最適化と動特性の解析および実証実験により、レイノルズせん断応力の高精度計測を実現し、温度と濃度などの物理量との同時計測への展開を試みるものである。
本年度は、２つのことを実施した。一つは、センサ形状を最適化するために昨年度に提案した方法について、数値流体力学を援用してその動作原理を検証した。具体的には、熱線の熱的後流を２本の抵抗線のみで検知して得られる温度上昇から速度ベクトルの角度を検出する方法について差分法による直接数値シミュレーションにより検証した。平板上を発達する乱流境界層内に熱線を模擬した点熱源を配置し、その熱的後流が乱流中をどのように移流するかを明らかにし、下流において温度を検出する点の空間的配置に関するいくつかの示唆を得ることができた。もう一つは、２方向速度変動を計測する方法として、これまでに利用されているX形熱線とは異なり、２本の熱線流速計を互いに平行かつごく近傍に配置することでより高い空間分解能を有するセンサの開発を試みた。乱流境界層内での速度変動の計測ではおおむね良好な結果が得られたが、センサの耐久性などを今後改良する必要があることが明らかとなった。
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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
現在までに、センサの配置を最適化することを着実に進めており、またより新しい測定原理の開発を試みている。具体的には、昨年度までに、上流にある熱線流速計に対して、下流の抵抗線温度計の数を減らすことを実施した。これにより、接触型センサにおいて避けることができない対象場への干渉を低減することに成功した。しかし一方で、センサ数を減らすことは残されたセンサの役割が重要になることを意味しているため、測定対象となる流れ場に依存した配置の最適化が必要となる。これは未知の流れ場を計測する際に不利となるため、センサ配置に依存しない空間スケールのより小さなセンサを開発することが必要である。そこで、現在、２本の熱線流速計を互いに平行かつごく近傍に配置することでより高い空間分解能を有するセンサの開発を試みている。乱流境界層内での速度変動の計測ではおおむね良好な結果が得られたが、結果の再現性およびセンサの耐久性など、今後取り組むべき課題が明らかとなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
センサを含む全体としてプローブ形状を最適化するために、種々の形状におけるセンサ周りの流れを数値シミュレーションにより解析し、センサ形状が計測結果に与える影響について系統的に調べることを今後も継続する。なお、当初の計画には、速度変動以外に温度変動および濃度変動の同時計測も目的となっている。それぞれの物理量を測定するセンサの空間分解能および時間分解能を改めて精査し、同時測定への試みを継続する。また、２本の熱線流速計を互いに平行かつごく近傍に配置することでより高い空間分解能を有するセンサの開発を継続する。現在、測定結果の再現性が十分でないことが懸念されている。その大きな理由として、熱線を近接させる際の基材の耐熱性が重要であると考えられるので、種々の材料を比較検討し耐久性向上を目的とした検証試験を実施することを予定している。
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| Causes of Carryover |
本年度はセンサ数を当初計画より減らして研究を実施したので、使用額を節約することができた。次年度においては、空間および時間分解能についてセンサ形状を最適化するために、種々の線径のセンサ材料を必要としている。また、熱線を近接させたプローブの開発では種々の基材を使用することが予定されており、検証実験に費用が多く必要となるため、持ち越して使用する計画である。
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