Studies on Unsteady Loss Generation Mechanism in Turbine Cascade using Hi-Fi PIV-CFD Merged Method

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K03848
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 船崎 健一 岩手大学, 理工学部, 教授 (00219081)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 航空機エンジン / タービン / 非定常流 / PIV / 圧力方程式 / LES解析

Outline of Annual Research Achievements

ターボ機械内部の流れは本質的に非定常であり、その空力性能の格段の発展のためには、非定常性による影響を定量的に捉えることが重要な課題となっている。特に高効率を求められる航空機用タービンではそのような緻密な調査が求められている。
実験的手法による流れの非定常性効果の調査、特によどみ点圧損失計測には侵襲型のプローブによる計測が不可欠だったが、プローブ挿入による流れ場への影響に加え、空間・時間解像が困難であった。この難点を克服するものとしてPIV法に多くの関心と期待が寄せられているが、速度場情報のみを得ることが主眼となっている方法であり、タービン翼列の非定常損失の評価にはそのままでは利用できない。
そこで、本研究では、高解像度PIVデータを基にして圧力方程式を解くことににより、翼周りや翼列下流での圧力情報を数値的に取得に、そこから非定常よどみ点圧損失に関する情報を推定する手法の開発に着手している。前年度はPIVのよる高負荷タービン翼まわりの速度場データ取得を試み、概ねその問題なく速度場データの取得に成功した。今回は、得られた速度場データから圧力場を決定するための解法を確立することに取り組んでいる。具体的には、２次元圧力方程式、２．５次元圧力方程式（定式化のところで一部３次元効果を含めているもの）及び発散項の取り扱いなどを調査した。使用した速度データは、解法の開発という観点から、PIVで得られたデータの代わりに、LESによる高精度非定常流れ場解析で得たデータを用いている。これにより、境界条件をどの程度正確に与える必要があるかの調査は実施可能となった。具体的には、対象領域を囲む４面で境界条件をディリクレ条件及びノイマン条件の組み合わせで、その影響度を調査している。
得られた結果から、非定常圧力場及びよどみ点圧力の評価が十分に可能であることを明らかにした。

Current Status of Research Progress

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

Reason

下記のような成果が得られていることから、上記のように判断した。
＊計算コードの妥当性が得られた．＊定常条件での翼列下流領域での圧力推定においては，発散項の考慮， 3 次元性の考慮に関係なく良好な圧力推定結果となった．＊定常条件での翼列下流領域での圧力推定の際の境界条件については，下流の境界において境界法線方向の圧力勾配を0 とするノイマン条件が適用可能であった．＊定常条件での翼列下流領域での圧力推定において，速度場に人工的な誤差を与え，その速度場において圧力推定を行った結果，最大誤差±4%程度の誤差であれば圧力推定に影響を与えない．＊定常条件における圧力推定において，速度場の発散が0にならない場合，速度場の発散項を含む推定モデルで良好な圧力推定結果が得られた．＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定においては，非定常性に起因して流れの3 次元性が強くなり速度場の発散が0 とならない領域が広くみられた　＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定においても，速度場の発散項を含む推定モデルで良好な圧力推定結果が得られた．＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定において，計算格子と圧力推定格子が異なることにより，速度場の発散の評価に違いがあり，これに起因して圧力推定結果に影響を及ぼす．＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定において，境界条件とする圧力分布は，速度と比較して非定常性が弱いため時間平均の圧力分布を適用しても圧力推定には大きな影響を与えないことが分かった．＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定において，推定した圧力場を用いて算出した時間平均的な損失分布はCFD、実験での時間平均的な損失分布と良好に一致した．＊非定常条件における翼列下流領域での圧力推定において，推定した圧力場を用いて算出した瞬時の損失分布はCFDと概ね良好に一致した．

Strategy for Future Research Activity

本研究の最終年度として、以下の課題に取り組む。（１）CFD・EFD融合による翼列損失推定コードの開発；PIVによって得られた速度場データに基づく圧力推定法の最大の難点は、圧力に関する境界条件を与えることの困難さにある。実験で圧力を得ることも不可能ではないが、空間・時間方向に不十分な境界条件となる。そこで、RANS解析により対象領域の境界上の時間平均圧力を推定境界条件とし、部分的に実験で得た圧力情報を基に適宜境界条件を補正することで、よどみ点圧推定精度の向上を図る。（２）PIVによる速度場データへのモード解析の適用；PIVデータの大きな欠点は、誤ベクトルの発生とノイズの混入である。後者に関しては、計測時に細心の注意を払うことはもちろんではあるが、合理的な形での除去も有用である。近年、大規模なデータのモード解析手法として、PODやDMDなどが流用されており、現象が保持する総エネルギーの大半を少ないモード空間で表現することでノイズの少ない速度データを得ることが可能となっている。本研究でもこの手法を用い、圧力推定に影響を与えかねないレベルのノイズを除去する手続きを導入する。（３）PIVデータを用いた翼列損失推定；昨年度までの成果および（１）（２）での改良作業を踏まえ、実際に計測したPIVデータを基に、翼列損失推定を実施する。特に、流れ場の非定常性を強化するため、翼列上流にwake発生器を装着した状態での計測を試みる。この結果から、非定常翼列損失発生メカニズム解明に通ずるデータを取得することを目指す。

Causes of Carryover

前年度は、主として圧力方程式の解法の開発に時間を費やし、その分予定していた実験の多くを今年度に順延した。成果報告の中でも触れたが、手法の開発に時間をかけたお陰で、当初の計画の非定常翼列損失の推定の見込みが立っており、妥当な判断であったと考えている。
今年度は高精度PIV計測のよる実験データの取得を進めることから、それらに関する消耗品等の購入（翼列試験装置等、シーディング液、圧力測定器など）に助成金を充てるとともに、モード解析や機械学習など、得られたデータの適切な処理技術の調査や得られた研究成果の発表などに助成金を使用する予定である。