2012 Fiscal Year Annual Research Report
Ｆｌｙ Ｂｙ Ｌｉｇｈｔ Ｐｏｗｅｒ：低パワーによる飛躍的な高速空力性能の向上
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22226014
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
佐宗 章弘 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40215752)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
酒井 康彦 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20162274)
横田 茂 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30545778)
松田 淳 名城大学, 理工学部, 准教授 (80415900)
酒井 武治 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90323047)
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| Project Period (FY) |
2010-05-31 – 2015-03-31
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| Keywords | 超音速流れ / レーザー / エネルギー付加 / 乱流 / ソニックブーム / 揚抗比 |
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| Research Abstract |
鳥取大学川添教授の協力のもと、リング形状３分力天秤を開発し、超音速風洞実験に適用した。この天秤は市販の形式のものと比べてシンプルかつロバストであり、なおかつ抗力、揚力、ピッチングモーメントの分解能力が高い。これによって、80mm×80mmの小型超音速風洞においても精度よい測定が可能となった。既存の超音速自由飛行実験装置（バリスティックレンジ）の加速管断面形状を25mm×25mmの正方形断面から44mm×20mmの矩形断面に改造し、よりアスペクト比が高い飛行体モデルを射出することを可能にした。また、ベント部、サボ分離部の改良、試験部の延長により、より広いマッハ数領域での実験が可能になった。さらに、管内空力サボ分離特性を定式化し、サボ分離条件の最適化（管内空力‐固体衝突ハイブリッドサボ分離法）を図ることによって、三次元模型の飛行姿勢を保ったままの射出が可能になった。軸対称非定常Navier-Stokes(N-S)数値流体シミュレーションコードを開発し、空力特性に対する高繰返しエネルギー付加の効果に関する実験の内部診断を行った。定常３次元N-Sコードを開発し、非対称流れ場に対するエネルギー付加の影響評価を行った。非圧縮３次元非定常N-Sコードを開発し、衝撃波と干渉した後の乱流の挙動についての、数値解析に適用した。乱流による衝撃波背後圧力変調に関して、圧力ピーク値と衝撃波の到達時間差には弱い正の相関があることが示された。
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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
１．レーザーエネルギー付加による超音速空力性能の向上に関して、80kHzまでの繰返し周波数でエネルギー付加効率10（1000%）を達成するなど、世界最先端の成果を挙げている。
２．レーザー加熱バブルと衝撃波の干渉による渦生成（バロクリニック効果）およびその渦の滞留領域・時間が空力特性の変化に本質的な役割を果たしていることを見出した。さらに、それによってできる渦輪列の３次元的干渉が圧力場に大きな影響を及ぼすことを、光学可視化実験と圧力時間履歴測定により明らかにした。
３．等方的格子乱流を通過した衝撃波背後の圧力および乱流中の速度変動が示す統計的挙動を定量的にしました。衝撃波背後の圧力ピーク値の標準偏差が速度変動に比例すること、また衝撃波が通過したあとの速度変動が高波数側にシフトし、乱流の積分スケールが減少することなどを、初めて示した。
４．矩形断面バリスティックレンジおよび管内空力‐固体衝突ハイブリッドサボ分離法によって三次元飛行体をピッチ角±2°以下（標準偏差）で制御して射出することを実現した。また、単一結像2波長マッハツェンダー干渉計による非定常2次元重粒子・電子密度同時計測を実現した。鳥取大学川添博光教授考案のリング型天秤を超音速風洞に適用し、小型の超音速風洞による高精度な3分力（揚力、抗力、ピッチングモーメント）測定を可能にした。
５．数値シミュレーションによって実験結果を診断、解析、予測することにより、高揚抗比が達成できる飛行体形状およびエネルギー付加法を見出し、実験検証の準備中である。
６．レーザーパワーのみならず、放電によるエネルギー付加についても実験研究を進めており、放電によるプラズマの生成と衝撃波への作用効果を確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
１．平成24年度に開発した大型衝撃波管（断面120mm×120mm）を用いて、垂直衝撃波と格子乱流の干渉実験を行う。平成25年度挑戦的萌芽研究により能動隔膜破断装置の開発予算が採択されたので、その結果をもとに衝撃波管に対向式の駆動部分を開発し、一方から格子乱流をもう一方から垂直衝撃波を時間同期して生成し、試験部にて干渉する様子を光学可視化計測と圧力時間履歴測定により診断解析する。これまでと違い垂直波衝撃波を用いるので、干渉前の衝撃波背後の圧力は一様であり、これまでのデータに加えて圧力・速度変調に対する干渉距離の影響を新たに調べることができる。
２．１で開発した衝撃波管の対向作動を利用して、弱い垂直衝撃波背後の低速流れを利用したレーザー加熱バブル列の生成と、独立した強さの垂直衝撃波との干渉実験を行う。
３．平成24年度までに開発した小型３分力天秤、噴出し‐吸込み風洞によるより広範なマッハ数領域の試験気流条件の達成、および当該年度完成予定の３次元非定常N-S数値解析コードを活用して、３次元形状物体の空力特性に対する繰返しエネルギー付加の影響に関する系統的なデータを取得し、揚抗比向上条件を見出し、数値解析結果を検証する。また、平成24年度に境界層剥離制御効果を示唆する実験結果が得られたので、引き続きマンチェスター大学との共同研究を交えて研究を進める。
４．バリスティックレンジを利用して能動的乱流生成とそれによる圧力場変調の影響を実験的に調べる。
５．レーザーエネルギーに加えて放電によるエネルギー付加による圧力・速度場変調に関する実験データを系統的に取得する。
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Research Products
(9 results)
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[Presentation] Effects of External Disturbances on Spatially Developing Turbulence and Its Application to Control of Thermo-Fluid Dynamics2012
Author(s)
Y. Sakai, K. Nagata, T. Hayase, O. Terashima, N. Wu, S. Xia, T. Watanabe, T. Kitamura, K. Hiruta, H. Saito, T. Sakai, A. Sasoh and Y. Ito
Organizer
12th International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration
Place of Presentation
Hotel Metropolitan Sendai(宮城)
Year and Date
20120919-20120921
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