2022 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 – 2024-03-31
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| Keywords | 乱流遷移 / 線形応答 / 境界層 / 主流乱れ / 乱れ抽出 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流れの中に物体表面に発達する境界層は，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。本研究の代表研究者は，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線形応答抽出法を開発し，乱流噴流から大規模二次元乱れ構造の抽出を成功している。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，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成長・崩壊して乱流へと遷移することが知られている。しかし，前縁の受容性に非線形過程が含まれているため，主流乱れ強さと撹乱成長率との関係が単純な関数にならない。本研究では，円管からの周期撹乱を用いて人工的な撹乱を主流乱れに挿入し，主流乱れによって遷移する境界層で励起される乱れを線形応答抽出法で抽出する。抽出された撹乱の時間発展を調べることで，前縁の受容性を含め，主流乱れと境界層の遷移の関係を定量的に求め，主流乱れ中の乱れ成分が引き起こす遷移過程を明らかにする。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
主流乱れは乱流格子で作られるため，ランダムな上流撹乱となる。このようなランダムな撹乱から引き起こされる境界層遷移から，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。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，前縁上流に円管を置き，円管から主流流速と同じ速度で流れを噴出させることで，周期人口撹乱を入れない場合の乱れを極力小さくすることを試みた。その結果，円管からの噴出により速度分布がほぼ一様となり，乱れも大幅に削減した。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。定常流の速度は主流流速5m/sと同じにし，スピーカーに500Hzの周期撹乱を与え，まず主流中での撹乱の下流での発達，次にこの撹乱を前縁に当てて励起された境界層内の乱れの成長を熱線風速計により流測定で調べた。主流中で測定の結果，この手法で撹乱構造をほとんど変化させないで強さが制御できることがわかった。前縁に当てた場合，周期撹乱の振幅が小さい限りは境界層で発達する乱れ構造が相似で乱れの振動振幅が撹乱強さに比例することが明らかになった。さらに，乱流格子を入れてランダムな主流乱れがある場合にも同様な実験したところ，境界層の乱れは相似性を保ちながらその変動振幅が撹乱強さに比例することを確認した。これは，線形応答抽出法にこの人工撹乱装置が使えることを示している。さらに，この手法は，遷移過程で発達する乱れ構造が主流から境界層内で乱流へと崩壊するまで追跡でき，主流乱れによる境界層遷移の研究で強力な道具であることが明らかとなった。
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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， 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み，人工撹乱の形を変えずに，振幅だけを制御できる装置を開発し，それを用いて線形応答抽出法が主流乱れによる境界層遷移の研究に有用であることも突き止めた。しかし，撹乱装置が周期変動を出さない時にも，1%程度の乱れを発生すること，相似性を保てる振幅範囲が非常に狭いことが明らかとなった。
2023年度は人工撹乱発生装置を改良し，広い範囲の乱れ振幅の周期撹乱と乱流格子による主流乱れ（格子撹乱）を組み合わせた実験を行い，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，単独の人工撹乱に対する受容過程だけを観察しても受容性全体は解明できない。そこで格子撹乱による主流乱れに，振幅を広く変化させた線形人工撹乱を重畳させ，線形応答抽出法を用いて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 |
線形応答抽出法を用いるため，主流中における前縁正面に撹乱を衝突させる人工撹乱発生装置を取り付けた。人工撹乱は，その形を変えずに，振幅だけを制御できる必要がある。2022年度は，そのような人工撹乱発生装置の開発に成功したが，撹乱装置が周期変動を出さない時にも，1%程度の乱れを発生すること，相似性を保てる振幅範囲が非常に狭いことが問題となった。そのため抽出法による境界層遷移の実験をする前に，非撹乱時の乱れが小さく，振幅範囲の広い人工撹乱発生装置に改良することとした。2023年度は円管でできた撹乱装置の内側3層に分け，中央を撹乱装置の後流が主流流速とほぼ同じようになるための噴流発生用に，両側を周期撹乱挿入用にする。中央の孔には送風用のブローアーを繋げ，両側の孔には周期撹乱励起用のスピーカーを取り付ける。両側に加える周期変動は逆位相にし，上下に振動する局所二次元波の生成を試みる。さらに，この装置を用いた線形応答抽出法を遷移実験に適用し，人工撹乱が主流中から境界層内で乱流へと崩壊するまでの時間発展過程を定量的に追跡する。予算はその撹乱装置の開発費用と，遷移実験に用いる
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Research Products
(7 results)
