2021 Fiscal Year Research-status Report
Wind tunnel experiments as framework of boundary layer transition prediction using a new disturbance extraction method
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20K04262
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
松原 雅春 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (10324229)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 乱流遷移 / 境界層 / 主流乱れ / 渦輪 / 撹乱抽出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
物体の周りに流れが存在すると物体表面に境界層と呼ばれる速度せん断層が発達する。境界層は乱れていない層流から乱流へと遷移（以下「遷移」）すると壁面摩擦や熱伝達が急上昇するため，遷移予測は工学的に重要である。物体周りの流れの乱れ（主流乱れ）は遷移を引き起こす根元的な撹乱の代表であるが，主流乱れを受ける平板上の境界層については，平板の前縁において主流乱れが境界層に入り込む受容性が未解明なため，遷移予測法は未だ確立していない。この前縁付近での受容過程に非線形現象が含まれることが，受容性の解明を困難にしていると思われる。一方申請者は，非線形現象である乱流境界層に人工的に微小撹乱を入れ，その撹乱の位相で位相平均することで境界層に元々ある乱れの発達過程を抽出できる撹乱位相平均法が開発している。本研究ではこの乱流境界層の撹乱に対して成功している抽出法を境界層遷移の研究に応用し，主流乱れに人工撹乱を重畳させて計測速度を位相平均することで，主流乱れのどの撹乱が遷移を引き起こすかを実験的に解明することを目的とする。これは壁面荒さなどの遷移の予測法にもつながり，遷移予測法に対する新たな開発の端緒を開くと考えられる。
格子乱流による主流乱れの乱れ強さが数％のとき，流れ方向に長く伸びたストリークが境界層内に形成され，それが崩壊して乱流へと遷移することが知られているが，主流乱れの乱れ強さと撹乱成長率との関係が必ずしも比例関係にならず，これは前縁の受容性に非線形過程が含まれていることを示唆している。本研究では，人工的な撹乱を挿入し主流乱れによって遷移する境界層で励起される乱れを撹乱位相平均法で抽出することを，人工撹乱として渦輪を用いて試みる。渦輪は並進運動をして飛び自己相似性があり，発生させるときの流速を変えることで強さを制御することができ，抽出法に必要な線形撹乱として使用できるものと考えられる。
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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
乱流格子で作られるランダムな上流撹乱による境界層遷移から，特定の遷移過程を抽出するには，振幅を制御できる人工線形撹乱を上流に導入する必要がある。昨年に続き，形が変わらず振幅だけが変化する人工線形撹乱の発生装置の開発に取り組んだ。人工線形撹乱は境界層が発達する前縁の上流に入れる必要があるが，人工線形撹乱を作る装置自身が乱れ発生させてしまい，それが前縁付近の流れを通って境界層遷移を引き起こす可能性がある。この問題を解決する一つの方法として，前縁斜め前方から渦輪を導入する方法がある。この場合，渦輪発生のための円管先端は，前縁に当たる流線上から回避できるので円管の交流が直接遷移に影響を避けられる。昨年度は人工線形撹乱として，この渦輪の斜め放出を試みた。渦輪の強さを変えるとその移動速度も変化することがわかり，渦輪の強さを変えて遷移過程の抽出を行うためには，渦輪発生位置を調整する必要があることが明らかとなった。しかし，渦輪発生位置を調整すると前縁衝突までの時間が変わり，渦輪の強さの制御が難しくなる上，渦輪自身の時間変化も微小ながら影響することが考えられる。さらに，渦輪発生位置を調整も実験を行うにはかなり煩雑である。
そこで，人工線形撹乱を斜め前方ではなく，正面から当てる方法を検討した。この方法の最大の困難さは，人工線形撹乱を作る装置自身が発生する乱れが直接下流の前縁に衝突することである。そこで装置自身の乱れを最小化する方法として，撹乱発生させる管の先端から主流流速にあわせて定常的流を下流方向に流すことで後流の影響を最小化できると考え，装置を試作した。装置は撹乱発生用の円管とそれに繋がった定常流を発生させるための小型送風機，撹乱を発生させるためのスピーカで構成される。昨年度はこの装置の検討・設計を行った。今年度はこの装置の検証から始める予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
2021年度では渦輪発生装置の開発をすすめてきたが，渦輪発生装置による線形渦輪の発生は困難であることが明らかとなり，前縁正面からの撹乱導入を検討したが，開発までには至っていない。撹乱位相平均法で境界層中の撹乱発達を抽出するには，発生させる人工撹乱の形を変えずに，振幅だけを制御する必要がある。2022年度前半は，正面から前縁に撹乱を衝突させる人工撹乱発生装置の開発に取り組む。具体的には人工撹乱発生装置の駆動スピーカーを選定し，管の形状を検討するとともに，非撹乱状態の時に主流に乱れをほとんど与えないように管から主流乱れと同じ流速で噴出させる。
2022年度後半は人工撹乱発生装置を用いて，それと乱流格子による主流乱れ（格子撹乱）を組み合わせた撹乱源を用いて，受容の非線形性の解明を試みる遷移過程の抽出を試みる。格子撹乱は一様性・等方性を持ち，工学上現れるよくある撹乱とみなせる反面，撹乱がランダムに起こるため，前縁受容・撹乱成長・崩壊の過程を追跡するのが困難である。乱流格子の下流では一様でほぼ等方の乱流となり，この格子撹乱は様々な大きさの渦の集合体である。それらがまとまって前縁に衝突するので，受容過程における撹乱同士の非線形相互作用が存在する可能性があり，単独の渦輪の受容過程だけで観察しても受容性全体は解明できない。そこで格子撹乱に制御された線形撹乱を重畳させ，位相平均を用いて渦輪撹乱による撹乱過程を追跡する。線形撹乱の位相による周期平均から，格子撹乱にもともと存在する線形撹乱に似た撹乱による受容過程を抽出できる。この抽出方法を利用し，格子撹乱にある遷移を引き起こす撹乱の特定を試みる。主流乱れ中のその撹乱の存在頻度は流速変動スペクトルから簡単に求まるので，既知の受容・成長の増幅率と合わせて，乱流へ崩壊する確率を見積る。
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| Causes of Carryover |
国際共同実験を予定していたが，コロナ禍によって中止となった。2022年度は予定を遅らせてスウェーデンのRoyal Institute of Technologyで風洞実験を行う予定である。
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Research Products
(4 results)
