2021 Fiscal Year Annual Research 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
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19K04841
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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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)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
新井 隆景 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 客員教授 (10175945)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| 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 |
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| 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目的とする．今年度は，主に混合遷移機構について検討した．
縦渦による超音速混合促進には，『混合遷移』の考えに基づき，できるだけ循環の大きな縦渦を生成することが望ましい．本研究では，超音速風洞下壁に設置する縦渦対導入デバイスの形状を変化させることで生成される縦渦の循環を制御できることを確認した．また，循環が増すと縦渦内の変動強度も増すことが確認された．さらに，循環の計測に用いたPIVシステムではデータ取得のサンプリングレートが低く，変動強度のみでは乱流状態にあるか判断することが困難であるため，時間・空間分解能に優れた熱線流速計を用いて縦渦領域内の変動計測を行い，得られたスペクトル分布をPIV計測による変動分布と対応させることにより，変動強度が大きくても発達した乱流状態にならない場合のあることを明らかにした．これは，縦渦領域内に比較的大きなスケールの組織構造が存在することを示していると考えられた．そこで，超音速縦渦領域に形成されるこの比較的大規模な組織構造や，実験では捉えることが困難な小スケールの乱流渦への崩壊過程について，実験に対応させた数値計算を行い詳細に調べた．その結果，縦渦の不安定性や衝撃波の入射によって縦渦対が変形・合体することでヘアピン渦構造を形成すること，実験結果との対比により，このヘアピン渦構造が実験で観察される比較的大きなスケールの組織構造に対応することを確認した．また，このヘアピン渦構造によるイジェクション・スイープ運動によりレイノルズ応力が生成されることで主流から縦渦領域への乱流運動エネルギーの輸送が活発になり，特に剪断領域での乱流エネルギー生成が混合遷移の鍵となることを示唆する結果を得た．
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