2021 Fiscal Year Research-status Report
ザトウクジラの胸ビレを模した前縁波形状翼の羽ばたき運動による流体力発生機構の解明
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20K04289
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| Research Institution | The University of Shiga Prefecture |
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Principal Investigator |
安田 孝宏 滋賀県立大学, 工学部, 准教授 (60347432)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
南川 久人 滋賀県立大学, 工学部, 教授 (60190691)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 前縁波形状翼 / 非定常流体力 / ザトウクジラ / 生物模倣技術 / ピッチング運動 / ヒービング運動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
鉱物資源調査や地球環境問題のデータ収集のための海洋調査には海洋調査機器の開発が重要となる．本研究では海洋調査に用いる機動性の良い魚型水中ロボットへの適用を目指し，機動性の良いザトウクジラの胸ビレを模した前縁波形状翼を開発する．特に前縁波形状翼の羽ばたき運動に着目し，その非定常流体力発生機構の解明を目的とする．
令和3年度は、まず令和2年度の研究で問題となった、ロードセルのノイズの影響を減らすために、自作ロードセルの使用を断念し，新たに市販のロードセルを購入した。その結果，流体力の測定精度が向上し、自作ロードセルでは測定できなかった抗力の測定や、ヒービング・ピッチング・フラッピングの運動下における再現性の高いデータの取得が可能となった。また、令和2年度に行った流体力測定では、パラメータ(翼の振動振幅・角度振幅・振動周波数等）の設定が手動であったが、電動スライダー、モーター、データロガーで構成される自動測定システムを構築することで高効率な測定が可能となった。
令和3年度の当初の計画は、ステレオPIV装置を用いた流れの可視化により，羽ばたき運動する前縁波形状翼の非定常流体力発生メカニズムの解明を行うことであった．予算の都合上、ステレオPIV装置ではなく、数値流体解析を用いた流れの可視化で代用した。その結果、ピッチング運動する際には、翼のアップストローク時に流れが剥離しにくくなるため、準定常状態より揚力が向上することや、前縁波形状翼では前縁の波形状で生成した縦渦により流れを再付着させることで、ダウンストローク時の剥離を抑え、揚力低下の勾配を緩和することが分かった。
以上の研究結果により、魚型水中ロボットのような運動翼に対して運動する前縁波形状翼を用いることで、安定して高い性能を維持できる可能性があることを示せた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
まず、令和2年度の研究で問題となった、ロードセルのノイズの影響は、新たに市販のロードセルを購入することで解決できた。また、自動測定システムを構築することで流体測定を大幅に効率化できた。次に、令和3年度の当初の計画では、ステレオPIV装置を用いた流れの可視化により，羽ばたき運動する前縁波形状翼の非定常流体力発生メカニズムの解明を行うことであったが、予算の都合上、ステレオPIV装置ではなく、数値流体解析を用いた流れの可視化で代用し、ある程度当初計画の内容を実施することが出来た。
しかし、前述した新たに購入したロードセルの信頼性テストや、流体力の自動測定システムの構築に時間を要したため、令和3年度は翼のピッチング運動とヒービング運動における流体力測定のみ実施し、今年度予定していた羽ばたき運動時の流体力測定と可視化は令和4年度に持ち越した。
以上の進捗状況を踏まえて、現在の進捗状況をやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後はまず、令和3年度に実施できなかった羽ばたき運動する前縁波形状翼および前縁直線翼に作用する非定常流体力の測定を行い、前縁の波形状翼の流体力学的効果や、最適な翼性能を得る条件（羽ばたき振幅・羽ばたき回転角・位相差）を調査する。次に、羽ばたき運動する前縁波形状翼および前縁直線翼周りの流れの数値流体解析を行い，前縁波形状翼と前縁直線翼の非定常流体力発生メカニズムを比較することで、前縁波形状翼の翼性能向上のメカニズムを解明する．
また、令和4年度の当初の計画に掲げていた、羽ばたき運動する前縁波形状翼に対する翼端渦の影響の調査や、翼平面形状の影響の調査についても並行して実施していく予定である．
上記の研究を滞りなく遂行するため、装置の自動化により削減できた労力や時間を、適宜他の作業に割り当てることで研究の効率を向上させる。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた理由：本来であればステレオPIVシステム(高速度カメラ＋ソフトウェア）を購入する予定であったが、自作のロードセルのノイズが抑えられず、市販のロードセルを購入することが不可避となった。ステレオPIVシステムを用いた流れの可視化は数値流体解析で代用できるため、市販のロードセルの購入した。
使用計画：上記のように、3次元PIVシステムの代わりに数値流体解析を用いて流れ場を解析したが、解析結果の妥当性を担保するためには、簡易的にでも可視化実験を行い、数値解析結果の検証が必要がある。そこで、研究室所有の高速度カメラと2次元PIVソフトを用いて翼周りの流れを可視化し、数値解析結果の妥当性を検証しようと考えている。可視化実験で鮮明な画像を得るためには、研究室で所有している光源では出力が低く、明るさが不足するため、出力500W程度のレーザーシート光源を購入する予定である。
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