ノズル外表面温度に基づく圧縮性内部流れの診断法（衝撃波を伴う流れの温度回復係数）

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04270
• Research Institution: Kagoshima University
• Principal Investigator: 片野田 洋 鹿児島大学, 理工学域工学系, 教授 (40336946)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 超音速流れ / 内部流れ / 診断法

Outline of Annual Research Achievements

静圧孔を軸方向に10個設けた末広部長さ200mmのステンレス製コールドスプレーノズルを用い，K型シース熱電対により測定したノズル外表面温度から，コールドスプレーノズルの超音速内部流れの診断実験を行った．作動気体には常温の窒素ガスを用いた．診断結果の検証用に壁面静圧を測定した．本診断法では内部流れのマッハ数を求めるために温度回復係数を用いるが，従来は平板上の外部流れの温度回復係数の式を用いていた．しかし，これまでの研究で，測定精度を向上させるには内部流れの温度回復係数を用いる必要があることが分かっている．そこで，まず静圧測定結果とノズル外表面温度の測定結果から，超音速内部流れにおける乱流状態での温度回復係数を求めた．この温度回復係数を用いて，K型シース熱電対により得られたノズル外表面温度から断面平均マッハ数を求めた．その結果，ノズルの流れ方向に得られた温度回復係数の平均値を貯気圧力0.4～1MPaについて平均した温度回復係数（軸方法・貯気圧力平均温度回復係数と呼ぶ）を用いて断面平均マッハ数を求めたところ，検証用マッハ数との誤差の最大値は10%を超えることが分かった．そこで，各貯気圧力について流れ方向に平均した温度回復係数（軸方法平均温度回復係数と呼ぶ）を用いて断面平均マッハ数を求めたところ，検証用マッハ数との誤差の最大値はノズル出口近傍を除いて10%未満となることが分かった．すなわち，超音速内部流れの軸方法平均温度回復係数を用いることで本診断法の測定精度が向上することを示すことができた．ただし，ノズル出口近傍においては常温の外気とノズル出口他面との間で発生していると考えられる自然対流熱伝達によりノズル壁面温度が上昇し，本診断法で求めたマッハ数は検証用マッハ数よりも小さくなった．そこで，次年度はノズル出口端面における自然対流熱伝達を抑制して本診断法の精度向上を目指す．

Current Status of Research Progress

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

Reason

ノズルの流れ方向と貯気圧力について平均した軸方法・貯気圧力平均温度回復係数を用いて断面平均マッハ数を求めると，検証用マッハ数との誤差の最大値は10%を超える．しかし，各貯気圧力について流れ方向に平均した温度回復係数（軸方法平均温度回復係数と呼ぶ）を用いて断面平均マッハ数を求めると，検証用マッハ数との誤差の最大値はノズル出口近傍を除いて10%未満となることが分かった．これは昨年度までの研究と比べて大きな進展である．よって，本研究は概ね順調に推移しているといえる．

Strategy for Future Research Activity

令和2年度の研究を通して明らかになったことは，コールドスプレーノズルの出口端面出において，無視できないほどの自然対流熱伝達が生じており，これを抑制しなければノズル出口近傍における断面平均マッハ数の診断精度の誤差が10％を超えるということである．そこで，次年度はノズル出口から噴出する超音速噴流により引き起こされる外気のエントレインメントがノズル出口端面に触れないように工夫を施して実験を行う．