2019 Fiscal Year Research-status Report
濃度・質量流束変動の同時熱線計測による混合能評価と超音速混合遷移機構の解明
| Project/Area Number |
19K04841
|
|---|
| Research Institution | Osaka Prefecture University |
|---|
Principal Investigator |
坂上 昇史 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70244655)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新井 隆景 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (10175945)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 航空宇宙流体力学 / 超音速乱流 / 超音速混合遷移 / 熱線流速計 / 混合計測 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，熱線流速計による混合能評価法の確立と，縦渦による超音速混合において３次元的な乱流変動により異種流体間の接触面積が飛躍的に増大する混合遷移機構の解明を主な目的とする．
熱線流速計は高い応答周波数帯域を持ち，高サンプリングレートで計測するため，高周波変動を捉えることが可能であるという利点があるが，点計測であるため変動の空間構造を捉えることは困難である．一方，PIV 計測は，一般にサンプリングレートが低く高周波変動を直接捉えることは困難であるが，面計測であることから，点計測の熱線流速計に比べて流れ場全体を一括で計測することが容易である．特に，PIV 計測によって縦渦による超音速乱流混合場の乱流強度やその空間分布が得られれば，混合遷移機構の詳細について知見を得ることができる．そこで，まず，超音速縦渦による混合場を熱線計測し，質量流束変動のスペクトル分布が部分的にKolmogorovの-5/3 乗則に従う領域があり，混合遷移状態にあることを確認した．この縦渦混合場をPIV計測し，熱線計測による質量流束変動の実効値分布と，PIV計測結果から算出した流れ方向速度の変動実効値分布を比較して，本研究で使用するPIV システムが，平均だけでなく速度変動の強度についても統計的に評価できることを確認した．
熱線計測による混合評価においては，濃度・質量流束が既知の流れ場により熱線を予め校正する必要がある．ヘリウムと空気の混合気を用いた校正時において，熱線が破損するという問題があり，その原因が，①過加熱による焼損，②混合気に含まれるゴミ等の衝突，③熱線の接着強度不足，であることを確認した．その対策として，①定電流熱線における加熱度設定の自動化，②多段階のフィルター装着，③プローブ溶接方法の変更により，熱線の破損を防ぐことができた．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
超音速縦渦による混合遷移機構を明らかにするためには，循環や渦レイノルズ数といった平均特性だけでなく，変動強度やその空間分布についての知見が必要である．変動計測には，高い応答周波数帯域を持つ熱線流速計が適しているが，点計測であるため変動の空間構造を捉えることは困難である．そこで，熱線流速計による計測結果と，計測断面内の速度分布を一括計測可能なPIV計測結果を比較することで，本研究で使用するPIV システムが，平均だけでなく速度変動の強度についても統計的に評価できることを確認した．また，速度変動の空間分布や各速度変動間の相関分布から混合遷移状態に至る流れ場の不安定特性などに関する知見を得ることを可能にした．
熱線計測による混合評価については，混合気を用いたときの熱線の破損という問題が生じたが，破損原因の特定とその対策を行えている．
以上のことにより，本研究は，おおむね順調に進展していると考える．
|
| Strategy for Future Research Activity |
超音速縦渦による混合遷移機構については，縦渦対導入デバイスの圧縮斜面に後退角を付与した Swept ramp デバイスを用いることでより循環の大きな縦渦を生成でき，同時に縦渦の崩壊も早くなることが確認されている．また，デバイスのスケール（高さ）を変えることで生成される縦渦のスケールや強さを制御可能である．これらの流れ場を本研究で使用する熱線流速計とPIVシステムにより計測し，速度変動の空間分布や各速度変動間の相関分布と生成される縦渦の強さや崩壊過程の関係について詳細に調べる．また，数値計算により，撹乱の発生過程や，その成長・崩壊から混合遷移に至る過程について，実験結果と比較するとともに，実験では得られないデバイス直下流の様子など検討する．
熱線流速計による混合評価については，改善された熱線プローブを用いて，混合気に対する濃度校正法を確立するとともに，混合層のような単純な流れ場を用いてその精度と有効性を確認する．また，超音速縦渦による混合場に適用するとともに，数値計算などの結果と比較し，縦渦の混合能評価について検討する．
|
| Causes of Carryover |
理由：熱線流速計による混合計測において，熱線の破損とその対策のため，ヘリウムガスや混合ガスを使用した実験を十分に行うことが出来ず，特にヘリウム・混合ガスの使用量が研究計画よりも少なかったため．
使用計画：熱線の校正や疑似燃料として使用するヘリウムガスや混合ガスの価格が高騰しており，それらの購入に充当する．
|
