ナノ秒パルス放電による超音速流れの剥離抑制に向けた渦生成と過熱機構の解明

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02350
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 杵淵 紀世志 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (90648502)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 超音速流れ / 衝撃波 / 境界層 / 剥離 / プラズマ / パルス放電

Outline of Annual Research Achievements

近年、超音速旅客機やスペースプレーンの研究開発が活発化している。衝撃波発生に伴う機体への過大な造波抵抗、スクラムジェット等超音速空気吸込みエンジンの技術難度の高さが実現への壁となっている。機体周囲やエンジン空気吸込み口に生じる境界層の剥離は、機体への空気抵抗・熱負荷の増加、エンジン不始動を招く。剥離抑制はこれらの実現に向けたブレークスルーとなる。
そこで本研究では、ナノ秒パルス放電プラズマアクチュエータ（以下単に「ナノ秒放電」と呼ぶ）により、超音速流中の境界層の剥離抑制に取り組む。ナノ秒放電を特徴づける指標として、放電後の渦生成を介し超音速の主流から低速の境界層への運動量輸送による剥離抑制に加え、放電に伴う流れの過熱により剥離が進行してしまうという負の側面がある。この2つの現象に焦点を当て研究を進める。
当初計画に基づき、ナノ秒パルス電源、放電電極等実験装置類の設計、手配を進めた。大気圧下及び実際の超音速飛翔時に経験する低圧環境を模した実験を通し、環境圧力に対する放電特性を把握するとともに、流れ場の可視化を通して剥離抑制において重要な渦生成とその特性を評価した。放電エネルギーは低圧ほど増加することが示された。これは低圧下においてプラズマインピーダンスも低下することによる。放電後に生じる衝撃波の背後に渦が生成され、渦のサイズは放電エネルギーと概ね比例関係にあること、一方で環境圧力に対する感度は放電エネルギーの影響に比して弱いことが明らかとなった。次段階に向け超音速風洞を新たに設計、製作し、所定のマッハ数が得られプラズマ生成が可能であることを確認した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画通り実験装置の構築を行い、大気圧及び低圧下における放電や渦生成の特性を把握した。

Strategy for Future Research Activity

当初計画基づき、新たに製作した超音速風洞とナノ秒パルス放電を組み合わせ、放電に伴う境界層への影響と衝撃波・境界層干渉による剥離への効果を調査する。