2012 Fiscal Year Research-status Report
衝撃波と膨張波を伴う超音速噴流へのレインボーシュリーレン偏向法の適用に関する研究
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23560204
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| Research Institution | The University of Kitakyushu |
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Principal Investigator |
宮里 義昭 北九州市立大学, 国際環境工学部, 教授 (30253537)
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| Keywords | シュリーレン法 / 不足膨張音速噴流 / 衝撃波 / 計測法 / 光学測定 |
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| Research Abstract |
平成２４年度は，直径８ｍｍ，長さ８５ｍｍの円筒ノズルからの音速噴流をレインボーシュリーレン偏向法によって実験的に調べた．また，実験と同じ条件の基でＴＶＤ法による数値計算を行い，実験結果と比較検討を行った．実験と数値計算から得られた結果を要約すると，以下のとおりである．
（１）レインボーシュリーレン法によって，不足膨張噴流のバレル衝撃波とその反射衝撃波，マッハディスク，ノズル出口からマッハディスク直前までの膨張領域，及び噴流境界等を連続的な色相の変化によって観測することができる．（２）フィルターの色相の変化方向を噴流の軸方向に対して垂直にした場合，マッハディスクを構成する反射衝撃波の強さが三重点から足下に向かって徐々に変化する特徴を色相の連続的な変化によって観測することができる．（３）フィルターの色相の変化方向を噴流の軸方向にした場合，不足膨張音速噴流の中心軸上のマッハディスクとその下流の第２衝撃波から第４衝撃波までの各衝撃波の位置を流れ方向の色相の変化からピーク値の位置として算出できる．（４）レインボーシュリーレン写真内の噴流中心軸に対して垂直な任意の位置の色相値をアーベル逆変換することで，その断面における密度の定量値を得ることができる．（５）結論（３）で得られた噴流中心軸上の色相変化の各ピーク値は，結論（４）で得られたノズル上流のよどみ圧p0と背圧pb比p0/pb＝５のときの噴流中心軸上の密度勾配が正の最大値の位置とほぼ一致する．（６）噴流内にマッハディスクが生じる場合，噴流中心軸上の密度分布において，マッハディスク直後から数ミリ下流にわたって密度のわずかな上昇が観察できる．これは，数値計算結果から得られた等密度線図でも確認でき，マッハディスクが上流に凸状に湾曲した形状となり，三重点からのすべり線が下流に向かうに従い，外側に拡がることに起因する．
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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
超音速流れに関連する現象を調べるための計測方法として，静圧プローブ，全圧プローブ，熱線流速計等の接触型の手法が用いられる場合があるが，このような探査プローブを超音速の流れ場へ挿入すると，一般にその前方に離脱衝撃波が生じ，元の流れ場を大きく乱す原因となる．また，レーザドップラー流速計やレーザー誘起蛍光法等の非接触型の計測法は，流れ場にシード粒子を混入する必要があり，衝撃波を含む流れ場の計測では，シード粒子が実際の流れ場に追随しない等の問題が報告されている．しかし，本計測で用いられるレインボーシュリーレン偏向法は，上記の欠点を補う新しい計測法であり，今後さらなる発展が望まれる．本研究では，超音速ノズルからの過膨張超音速噴流，適正膨張超音速噴流，不足膨張超音速噴流のレインボーシュリーレン計測，円筒ノズルからの不足膨張音速噴流のレインボーシュリーレン計測を行った．また，これらの実験による密度場をＴＶＤ法による数値計算結果と比較検討を行った結果，レインボーシュリーレン偏向法は衝撃波を伴う軸対称超音速噴流の光学的密度場計測に非常に有効であることを示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
次世代の超音速旅客機用のエンジンとして搭載が予定されているスクラムジェットエンジンの分離部にはほとんどの場合，衝撃波と境界層の干渉の結果としてのショックトレーン及び擬似衝撃波が存在する．特に，分離部内の擬似衝撃波領域の長さを知ることは，エンジンの不始動問題と関連して非常に重要であるにも関わらず，不明な点が多く残されている．したがって，平成25年度は，断面積一定の矩形ダクト内のショックトレーンと擬似衝撃波領域の構造をレインボーシュリーレン法を適用することによって定性的及び定量的に可視化計測することを目的とする．レインボーシュリーレン法を管内の衝撃波を伴う流れ場に適用した例はこれまで数例しかなく，定量化を行った研究は著者の知る限り全くない．したがって，本研究成果が得られることは，工学的にも学問的にも極めて価値が高い．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
平成25年度は，断面積が１５ｍｍ×１５ｍｍで長さが１００ｍｍの断面積一定のダクト内に主流マッハ数が約１．５のショックトレーン及び擬似衝撃波を発生させ，これらの現象をレインボーシュリーレン偏向法によって光学的に可視化計測する．その際，ダクトの側壁に取り付ける光学ガラスの購入と測定部材料の費用が必要となる．また，得られた画像データから等密度線図を得る解析手法を確立するために，画像解析ソフトが必要となる．本実験によって，低マッハ数のショックトレーンの構造と長さ，擬似衝撃波の長さと擬似衝撃波による静圧上昇，全圧減少等の特性を得る．これまでの研究成果を国内と国外の学会で研究発表する際の旅費と登録料及び論文掲載料がぜひ必要となる．
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Research Products
(9 results)
