2021 Fiscal Year Research-status Report
３次元ブラフボディ後流の双安定性に起因する予測困難な流体力の急変に関する研究
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20K04286
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| Research Institution | Hiroshima University |
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Principal Investigator |
中島 卓司 広島大学, 先進理工系科学研究科(工), 准教授 (40444707)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 応用空気力学 / 流体工学 / ３次元ブラフボディ / 自動車空力 / 双安定性 / 非定常空気力 / 流体構造連成 / 後流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
外乱条件によって周囲流れに双安定性を示す複数のブラフボディを対象に、流体力変化の発生機構、各種擾乱への依存性を系統的に調査するため、以下の取り組みを行った。
現象の発生機構解明のための取り組みとして、昨年度に引き続き、２つの安定状態を持つ３次元ブラフボディ周りの流れ構造の実験計測と数値解析、ならびにそれらの結果分析を行った。実験計測では、回流水槽における検力と同期させた速度場計測を、ステレオPIV法による速度3成分計測に拡張し、遷移過程のボディ後流のより詳細な計測を実現した。風洞計測では、相対流向を計測直前に変化させることで、双安定状態のうちの一方の安定な流れ状態を選択的に形成させ、同一の風向条件下における2つの安定な後流速度分布を個別に計測した．数値解析では，解析結果に対して渦構造抽出技術を適用することで、双安定状態を構成する2つの流れ形態の特徴とそれらの差異を明らかにした。また、より現実的な流向変化によって生じる流れの状態間の遷移過程を再現して、その詳細な過程とトリガーとなる現象について分析を加えた。
以上の結果を踏まえ、流れの双安定性を抑制、制御するための技術構築についても検討した。過去に検討実績のあるスリットノズルからの定常噴流を用いたまた、ボディ角部曲面からの流れの剥離特性を変化させる微小突起を付加することで、風向変化に対するボディの空力特性の急変を抑制しうることを確認した。
成果の体系化、普遍化に向けて、自動車空力研究用の一般車両モデルの風洞模型を製作した。そして、数値解析により絞り込んだ条件周辺において、双安定状態を生じうる準定常風向変化時の空力の急変条件を探索した。また、双安定状態間の流れの遷移に伴い確率的に発現する空力特性の表現法についても検討するため、ブラフボディを自動車に見立てた簡易な運動力学モデルに実際の計測流体力を入力して、運動解析を実施した。
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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
3か年の２年目にあたる今年度は、双安定な後流形態とその形態間の遷移過程について詳細解明を進めるとともに、双安定な後流形態の影響のモデル化と制御抑制技術の構築に向けた取り組みも進めた。
双安定現象の統計的特性や各種擾乱に対する依存性の調査においては、昨年度検討できた条件が計画よりも少数に限られた影響が残り、統計的な情報取得のための条件数、試行数という側面では、依然進捗がやや遅れている状況であるが、計測技術の高度化などにより、現象把握の側面において十分な進捗が得られている。また、数値解析による検討では、より現実的な外乱条件により生じる双安定状態間の過渡現象の詳細解明や、昨年度構築したデータ分析手法に基づく後流形態の解明を進めた。
さらに、確率的な空気力の急変が生じるボディ運動のばらつきについての剛体運動力学モデルに基づく評価や、
風洞試験と数値解析の双方を用いた流れ制御手法を用いた後流の双安定性の抑制、制御に関する検討から、本研究で最終的に目指す成果の普遍化と体系化に向けた取り組みも進めることができた。
以上のことから、研究全体としての達成度はおおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、簡易3次元ブラフボディ２種とより実用的な自動車空力研究モデル形状の双方を対象に、双安定な後流形態間の遷移特性およびその遷移過程の詳細解明を進め、それらの知見の体系化と知見に基づく新たな空力技術の構築を目指す。
実験計測では、流体力と表面圧の急変の発生頻度および変化量に関する統計的特性を中心に調査を継続し、幅広い条件での統計的特性を取得し、その体系化に取り組む。また、数値解析による検討も含め、より現実的な外乱として近接する他のブラフボディによる影響についても考慮し、知見の一般化も進める。また、実用的な自動車空力研究モデル周囲の流れ場の詳細な計測結果を分析し、簡易ブラフボディ形状における双安定性との類似性から、現象面での体系化、一般化にも取り組む。
流れの双安定性に伴って確率的に発現する空力特性の表現方法については、構築した簡易な自動車の運動モデルに基づく検討を加えることとし、確率的な流体力の変動が生じる運動のばらつきの特性から、妥当な流体力のモデル化のアプローチを検討して、統計的にブラフボディの運動を再現可能なモデルの構築を目指す。
流れの双安定性を抑制、制御するための技術構築については、可視化分析から解明された双安定な状態間の遷移過程を参考に、簡易ブラフボディ形状において検討された双安定性抑制技術の微小突起や定常噴流などを用いて、ボディ周囲流れを望ましい形態へと安定化させる、流体制御技術の構築を目指す。
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| Causes of Carryover |
簡易ブラフボディで得られた知見を実証するための実用ブラフボディ風洞模型について、他の研究課題との共用、ならびに製作方法の見直しを行うことで、製作費用を大幅に圧縮することができた。一方、動的外乱条件の適用技術を整備したことで数値解析による検討の有用性が広がったことで、最終年度に実施する数値解析規模を拡大することが最終的な研究成果の創出に寄与すると考えられたことから、模型製作費用の圧縮分を最終年度の大型計算機使用料の増額分として繰り越すこととした。
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