Next-generation flow control using the reduced-order model based on advanced unsteady flow measurement

Research Project

Project/Area Number	19KK0116
Research Category	Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research Institution	Tohoku University
Principal Investigator	浅井圭介東北大学, 工学研究科, 教授 (40358669)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	野々村拓東北大学, 工学研究科, 准教授 (60547967) 齋藤勇士東北大学, 工学研究科, 助教 (50828788) 小室淳史東北大学, 工学研究科, 助教 (70733137) 安養寺正之九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (70611680)
Project Period (FY)	2019-10-07 – 2022-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help	¥18,200,000 (Direct Cost: ¥14,000,000、Indirect Cost: ¥4,200,000) Fiscal Year 2021: ¥5,980,000 (Direct Cost: ¥4,600,000、Indirect Cost: ¥1,380,000) Fiscal Year 2020: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000) Fiscal Year 2019: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Keywords	流体力学 / 流体計測 / 流体制御 / 低次元モデル / 非定常流 / 先進流体計測 / プラズマアクチュエータ
Outline of Research at the Start	航空機や自動車など大気中を運動する物体には前進を妨げる空気抵抗が作用する．その低減は地球規模のエネルギー節減のため挑戦し続けなければならない課題である．本共同研究では，大規模な渦構造や衝撃波の振動を伴う流れを動的フィードバックにより制御する新しい概念の流体制御理論の確立を目指す．フロリダ州立大学の研究グループと協働し，双方の知識と技術を持ち寄って，１）非定常先進計測データベース構築，２）低次元モデル化，３）高速応答アクチュエータという３つのキーテクノロジーの研究開発に取り組み，剥離流れと超音速噴流を対象に大型実験設備を用いた実証実験を行い，非定常流れの動的フィードバック制御を実現する．
Outline of Annual Research Achievements	本研究の目的は，フロリダ州立大学（FSU）と協働し，様々な複雑流れへ適用可能な「次世代流体制御＝流れの動的なフィードバック制御」を実現することである．今年度は共同研究の2年目にあたり，昨年度の訪問調査の結果に基づき共同実験に着手する計画であった．しかし，新型コロナウィルスの影響により当方からの研究者の派遣は断念せざるを得ず，その代わりにオンラインでの打ち合わせを綿密にし，現地の教員と大学院生だけで実験が行えるよう計画を立て，以下の手順で共同実験に臨んだ．東北大学で斜め底面円柱模型のベース面の部品を２個製作し，その１つに東北大学が提供する高速応答型感圧塗料（uPSP）を塗装し，FedExでFSUに発送した（9月）．FSU側で受け取った部品に配線・配管を施し模型本体に組み込み，10月から12月にかけて複数回FSUの亜音速風洞で試験した．その結果，斜め底面中心部の剥離泡と左右交番で放出される渦との干渉で誘起される周期的な非定常圧力場の可視化に成功した．従来の計測法では把握できない複雑な現象を明らかにすることが出来た．後日FSUでは東北大が提供したレシピとビデオ手順書に従い，自前で調合し塗装したuPSPを使って実験を行っている．現在はこれらの実験結果を学術誌に投稿すべく準備を進めている．一方，衝突超音速ジェットの非定常流れの計測については，FSUの設備が閉鎖され実験を行う目途が立たず準備が遅れている．東北大学では，より高周波数の計測が行えるAA-PSPの皮膜を大型部品に形成するための装置を整備した．また予備実験として東北大学の設備で小規模の衝突実験を行う準備を進めている．FSU側の実験設備再開の状況が明らかになり次第，共同実験の実施に向けて協議を再開する予定である．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 新型コロナウィルスの影響で人の往来が出来ないと言う異常事態下であったが，斜め底面円柱模型のベース面の非定常表面圧力分布計測については，予期した以上の成果が得られたと感じている．uPSP計測と同時に行う予定だった蛍光油膜法(GLOF)計測については，この実験を担当する九大安養寺准教授を派遣することが出来ず実施できなかった．一方，衝突超音速ジェットによる地面板上の非定常流れの計測については，上述のようにFSU側の設備の再開を待っている段階である．FSUでは新学期が始まる9月から大学の活動を正常化すると聞いているので，それまでは東北大学側での予備実験に集中したいと考えている．これらの高解像度非定常データの低次元モデル化とそれに基づく制御アルゴリズムの開発については手付かずの状態である．FSUからは．streaming SPOD algorithmを適用するのが良いのではないかとの提案を受けている．
Strategy for Future Research Activity	斜め底面円柱模型のベース面の流れ場計測については，学術論文の執筆に共同で取り組むとともに，東北大学が所有する0.3m磁力支持天秤装置（Magnetic Suspension and Balance System [MSBS]）を用いて，気流中に模型を支持無しで浮揚させた状態での実験を行う予定である．，ダミーの支持装置を付けた状態での実験を合わせて実施し，ベース面に発生する非定常流れに対して支持装置が及ぼす影響を明らかにしたいと考えている．一方の衝突超音速ジェットについては東北大学側で行う予備実験の結果に基づいてFSU側と協議する．研究員の渡航が難しい状況が続くようであれば，斜め底面円柱模型の場合と同様に，現地の教員と大学院生だけで実験が行えるよう計画を立て共同実験に臨む．この実験に使用するAA-PSPは従来のPSPより周波数特性に優れており，高速風洞実験への適用が可能であり，衝突超音速ジェットの実験と並行にFSUの三音速風洞（Trisonic Wind Tunnel）を用いた実験を計画したいと考えている．低次元モデル化とそれに基づく制御アルゴリズムの開発に関しては，取得した実験データを共同研究のメンバーに提供しアイデアを募る．これには招へいメンバーの一人であるUCLAのProf. Tairaを含む．最終的には関係者全員で参加するオンラインのミニシンポジウムを開催し議論を活性化を図る．いずれにせよ，研究計画が新型コロナウィルスの制約を受けることは否めず，研究員や学生の派遣・招へいが行えるよう計画を延長する可能性を合わせて検討したいと考えている．