2014 Fiscal Year Annual Research Report
塗装型高速応答感圧塗料による移動物体周り非定常圧力場計測法の確立
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25289029
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
亀田 正治 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70262243)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
天尾 豊 大阪市立大学, 複合先端研究機構, 教授 (80300961)
中北 和之 独立行政法人宇宙航空研究開発機構, 航空部門, 研究員 (50358595)
横山 博史 豊橋技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (60581428)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 航空宇宙工学 / 計測工学 / 感圧塗料 / 風洞実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ファンや風車のような回転翼全体の表面圧力分布を把握することを目的として，高速応答型感圧塗料(PSP)による移動物体周り非定常圧力場計測法の確立を図った．CFD (非圧縮LES) 解析結果との比較を通じて，0.1 kPa以下の振幅を持つ表面圧力変動分布を定量的にとらえる計測システムの構築を進めた．
まず，PSP出力の温度・湿度依存性補償法を検討した．昨年度に製作した，大型恒温恒湿器と飽和塩法による調湿を組み合わせによる温度，湿度，圧力を独立に制御できるPSP較正試験を用いて，高速応答型PSPの一つであるAA-PSPの発光特性を評価した結果，温度，相対湿度，圧力の違いによる発光量の変化はそれぞれ独立しており，それぞれに対する感度を用いてa prioriに圧力を定めることができることを示した（亀田ら 2014, 日本航空宇宙学会講演会流体力学部門最優秀賞受賞; Kameda et al. 2015）．また，温度，湿度の違いが周波数応答性に与える影響の評価も行い，風洞実験で変化する範囲内であれば，これらは大きな影響を与えない，ということも分かった（渡邉ら 2015）．
つぎに，発光量変化の時系列画像データから，微小変動圧力を取り出すために，ノイズ源の特定と，画像処理法（特異値分解 (SVD) 法（Pastuhoff et al. 2013），画像内各点輝度値周波数スペクトル積算による方法（Nakakita 2013））の比較検討を行った．その結果，カメラショットノイズの影響が卓越していること，SVD法により，少ない画像枚数で変動振幅を抽出できることを明らかにした（野田ら 2015）．
最後に，PSP/PIV複合計測による物体周り渦度場と物体表面圧力場の相関解析を行った．円柱を対象とした風洞実験から，両者に良い相関があることが確認できた（野邑ら 2015）．
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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
本研究の最終的な目標は，ファンや風車のような回転翼全体の表面圧力分布を対象に，0.1 kPa以下の振幅を持つ表面圧力変動分布を定量的にとらえる感圧塗料 (PSP) 計測システムを構築し，得られた圧力データから遠方場の空力音を予測する有効な手段を提供することである．この目標に対する過去２年間の達成度は３分の２程度と考えている．
本年度の最大の成果は，特異値分解 (SVD) 法による画像処理が，変動圧力分布の抽出に効果的であることを見出した点である．SVD法は，画像内各点の時系列輝度値のFFT処理による抽出法に比べて，同程度のノイズレベルを得るためのデータ量が１０分の１程度で済むことから，回転翼のような厳しい撮影を強いられる対象の画像処理法としてきわめて有効である．
また，高速応答型PSPの応答性に対する温度，湿度の影響も定量的な評価が進み，それぞれの影響を補償することにめどがついたことも良い方向である．
ファン計測システムでは，昨年度にネックとなっていた発光量不足を解決するため，新たにストロボ発光が可能な高輝度LEDを導入した．その結果，輝度画像の品質が向上し，SVD法を用いることで，変動圧力が抽出できるのではないか，という手ごたえが得られている．
最終的な目標を達成するために，(1) LES計算データとの間に見られる食い違いの原因を特定し，計測，画像処理システムの改良を図ること，また，(2) PSP測定データに基づく遠方場音場の推定アルゴリズムを構築すること，が必要である．
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| Strategy for Future Research Activity |
ファン表面圧力計測を継続する．大学院生２名（田近義宏，兼村寛人）の協力を得て，過去２年間で構築した計測システムの最適化を進める．また，これまでの計測で大きな誤差要因となっているファン駆動用モータ発熱の影響を低減するため，供試ファンの改造も行う．得られた実験結果を，昨年度まで２年間協力を仰いだ研究分担者（豊橋技科大 横山博史）から提供済みのLESに基づくCFD解析結果と照らし合わせ，0.1 kPa以下の変動圧力がとらえられることを実証する．
つぎに，高速応答型PSPの時間応答性をさらに改良するため，PSPの形成法を検討する．昨年度に整備した周波数応答評価装置（共鳴管装置）から，塗装型PSPの周波数応答性は，AA-PSPに比べてやや劣る，という結果が得られている．研究分担者（天尾）の助言のもと，大学院生１名（渡邉渉），学部卒論生１名（堀本一貴）の協力を得て，塗装工程を見直し，この問題の解決を図る．
最後に，PSP測定データに基づく遠方場音場の推定アルゴリズムを構築する．本テーマは，大学院生１名（野田貴宏）の協力を得て研究分担者（中北）が中心に進めていく．ＪＡＸＡ所有の開放型風洞を用いて，円柱から放射される遠方場の空力音をマイクロフォンアレイにより測定する．並行して測定したPSP出力からLighthill-Curle法を用いて遠方場音場を予測する．両者の比較を通じて，PSPによる空力音解析の有効性を検証する．
10th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (イタリア，6月), 日本航空宇宙学会流体力学講演会 (7月, 東京)，日本機械学会流体工学部門講演会 (11月, 東京) での成果発表を予定している．また，Experiments in Fluids誌などでの論文公表を進める．
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| Causes of Carryover |
順調に予算消化を進め，１万円未満の端数が残った．次年度に有効利用したいと考え，無理に帳尻は合わせなかった．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
試薬など，消耗品の購入に充てる．
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