レインボーシュリーレン法による超音速マイクロジェットの3次元構造の解明

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K04272
• Research Institution: The University of Kitakyushu
• Principal Investigator: 宮里 義昭 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (30253537)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: レインボーシュリーレン / 衝撃波 / 密度測定 / 超音速流れ / マイクロジェット / 光学的可視化計測

Outline of Annual Research Achievements

近年，超音速マイクロジェットは航空宇宙分野のみならず微小電子機器や医療分野での利用も期待されており，多くの研究が行われている．一般に，ノズルからの流れが超音速の場合，噴流の内部には衝撃波と呼ばれる不連続面が形成され，ピトー管や熱線流速計等の接触型のセンサーでは流れ場の正確な計測はできない．そこで本研究では超音速マイクロジェットの流れ場をレインボーシュリーレン偏向法と呼ばれる可視化法とコンピュータトモグラフィを合わせた密度場の３次元断層撮影装置を用いて調べた．
本研究では，１ｍｍ×１ｍｍの正方形の出口断面をもつ先細ノズルから流出するマイクロジェットの３次元構造をレインボーシュリーレン断層撮影法によって実験的に調べた．平成３年度は，ノズル上流のよどみ圧力と背圧（大気圧）との比（ノズル圧力比）を４とし，噴流内部にマッハ衝撃波と呼ばれる強い衝撃波が存在するときの三次元密度場の計測を行った．流れの可視化はノズルをその中心軸のまわりに０度から１８０度まで１０度間隔で回転させ，合計１９枚の多方向からのマイクロジェットのレインボーシュリーレン写真撮影を行った．三次元密度場の再構成は畳込み逆投影法により行った．また，実験と同じ条件でレイノルズ平均ナビエストークス（RANS）方程式を用いた数値シミュレーションを行った．乱流モデルは衝撃波を伴う流れに定評のあるSSTｋ－ｗモデルを用いた．本実験と数値シミュレーションとの相互比較から正方計マイクロジェット内部の近距離場における衝撃波の三次元構造と，噴流の自由境界面で反射する衝撃波が自由せん断層と干渉する流れ場の特性を明らかにした．

Current Status of Research Progress

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

Reason

当初の予定通り先細ノズルから流出する噴流の内部に強い衝撃波が発生するときのマイクロジェットの三次元構造を実験と数値シミュレーションを用いて明らかにすることができた．

Strategy for Future Research Activity

ノズル出口で１ｍｍ×１ｍｍの正方形断面をもち設計マッハ数が１．５のノズルを設計製作し，超音速マイクロジェットの３次元構造をレインボーシュリーレン偏向法による実験と数値シミュレーションによって明らかにする予定である．また，マイクロジェットの非定常性を調べるために３次元大規模数値シミュレーションを行う予定である．

Causes of Carryover

コロナによる影響のため国内の学会と国際学会への参加をキャンセルした．また，ノズルの製作を外注ではなく研究室にある３Dプリンターで行うことができた．