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プラズマ流の能動制御コンセプトに基づいたプラズマアクチュエータの最適設計

研究課題

研究課題/領域番号 17J07566
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 流体工学
研究機関東京農工大学

研究代表者

中井 公美  東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2017-04-26 – 2020-03-31
研究課題ステータス 完了 (2019年度)
配分額 *注記
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2019年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2018年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2017年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワードプラズマアクチュエータ / 誘電体バリア放電 / 流体制御 / プラズマ物理 / 数値シミュレーション / プラズマ / バリア放電
研究実績の概要

本研究では,3電極プラズマアクチュエータにおいて高出力の水平方向ジェットを高効率に生成することを目的とし,電圧印加方法及び素子形状の提案に取り組んだ.3年度目では,体積力生成の観点で重要な化学反応を選択的に考慮した数値モデルを提案するとともに,3電極プラズマアクチュエータの性能向上に寄与する作動特性を解明した.
放電プラズマシミュレーションは,実験では計測困難な微小スケールの現象を解析でき,作動メカニズムの解明において要となるツールだが,1,2年度目の研究により,実験結果に対し定量的な差異があることや考慮する化学反応が結果に影響することがわかっている.そこで,化学反応による影響を,従来よりも高い空間及び時間解像度の数値計算によって詳細に解析することで,体積力生成を担うプラズマイオンの生成及び消失過程に支配的な化学反応を明らかした.さらに,工学的観点ではシンプルなモデルであるほど汎用性に優れることから,体積力生成プロセスにおいて重要な役割を担う化学反応を選択的に考慮した数値モデルの提案に成功した.
次に,3電極プラズマアクチュエータの性能向上に向けて有用な知見を得るため,異なる放電形態を用いた4種類のアクチュエータの作動特性を,放電プラズマシミュレーションによって統一的に解析した.効率の観点から性能を比較することで,コロナ放電による体積力生成が高い性能に寄与することを突き止めた後,アクチュエータの違いによる体積力生成メカニズムへの影響を調査した.その結果,3電極プラズマアクチュエータはコロナ放電による体積力生成を高効率化する重要な作用を二つ有することを明らかにした.したがって,これらの作用を強化するように素子構成及び印加電圧波形を最適化することで,3電極プラズマアクチュエータのさらなる性能向上を達成できる可能性が示された.本知見はアクチュエータの実用化に大きく役立つものである.

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2019 実績報告書
  • 2018 実績報告書
  • 2017 実績報告書
  • 研究成果

    (22件)

すべて 2020 2019 2018 2017 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 7件) 備考 (2件) 産業財産権 (1件)

  • [雑誌論文] Effect of chemical reactions on electrohydrodynamic force generation process in dielectric barrier discharge2020

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, A. Komuro, H. Nishida
    • 雑誌名

      Physics of Plasmas

      巻: 27

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Development of Engineering Model Providing Body Force Distribution of Tri-Electrode Plasma Actuator2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, H. Nishida, N. Asaumi, Y. Tanaka, and T. Matsuno
    • 雑誌名

      Transactions of JSASS

      巻: in press

    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] DC放電とAC放電を利用した3電極プラズマアクチュエータの交流電圧波形による影響に関する数値的研究2017

    • 著者名/発表者名
      中井公美,西田浩之,松野隆
    • 雑誌名

      静電気学会誌

      巻: 41 ページ: 194-200

    • NAID

      40021340878

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Physical Mechanism of Tri-Electrode Plasma Actuator with Direct-Current High Voltage2017

    • 著者名/発表者名
      Hiroyuki Nishida, Kumi Nakai, Takashi Matsuno
    • 雑誌名

      AIAA Journal

      巻: ARTICLES IN ADVANCE 号: 6 ページ: 1-10

    • DOI

      10.2514/1.j055560

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Body Force Generation Control by Modulating Applied Voltage Waveform in Tri-Electrode Plasma Actuator2020

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, D. Hasegawa, A. Hatamoto, and H. Nishida
    • 学会等名
      AIAA SciTech 2020
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DC放電による退席力生成に適した3電極プラズマアクチュエータの設計2019

    • 著者名/発表者名
      中井公美,畑本明彩未,西田浩之
    • 学会等名
      2019年度機械学会年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] DC放電とAC放電を併用したプラズマアクチュエータの作動特性に関する実験的研究2019

    • 著者名/発表者名
      畑本明彩未,中井公美,西田浩之
    • 学会等名
      第43回静電気学会全国大会
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
  • [学会発表] Study on Discharge Plasma Modeling Aiming at Accurate Simulation of Electrohydrodynamic Force Generation in Dielectric Barrier Discharge2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, and H. Nishida
    • 学会等名
      XXXIV ICPIG & ICRP-10
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Experimental Study on Performance Characteristics of Plasma Actuator Composed of DC and AC electrode2019

    • 著者名/発表者名
      A. Hatamoto, D. Hasegawa, K. Nakai, H. Nishida, and T. Matsuno
    • 学会等名
      32nd International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] DC放電とAC放電を併用したプラズマアクチュエータに関する研究2019

    • 著者名/発表者名
      畑本明彩未,長谷川大地,中井公美,西田浩之
    • 学会等名
      2019年度静電気学会春期講演会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Body Force Generation Control by Modulating Applied Voltage Waveform in Tri-Electrode Plasma Actuator2019

    • 著者名/発表者名
      K. Nakai, D. Hasegawa, A. Hatamoto, and H. Nishida
    • 学会等名
      AIAA SciTech 2019
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] プラズマアクチュエータの体積力生成再現に必要なプラズマの数値モデリング2019

    • 著者名/発表者名
      中井公美,西田浩之
    • 学会等名
      第2回航空機空力研究ワークショップ
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 3流体モデルに基づく放電プラズマシミュレーションにおける粒子種及び局所電界近似の影響2018

    • 著者名/発表者名
      中井公美,中野朝,西田浩之
    • 学会等名
      2018年度機械学会年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] 誘電体バリア放電が誘起するイオン風の再現を目的とした放電プラズマのモデリング手法の検証2018

    • 著者名/発表者名
      中井公美,西田浩之
    • 学会等名
      第32回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実績報告書
  • [学会発表] Validation Study of Three-fluid Plasma Modeling of Dielectric Barrier Discharge for Plasma Actuator2018

    • 著者名/発表者名
      Kumi Nakai, Asa Nakano, Hiroyuki Nishida
    • 学会等名
      AIAA SciTech 2018
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of Engineering Model Providing Body Force Distribution of Tri-electrode Plasma Actuator2017

    • 著者名/発表者名
      Kumi Nakai
    • 学会等名
      31st International Symposium on Space Technology and Science
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of AC Voltage Waveform on Tri-Electrode Plasma Actuator Utilizing Interaction Between AC and DC Discharge2017

    • 著者名/発表者名
      Kumi Nakai, Hiroyuki Nishida, Takashi Matsuno
    • 学会等名
      International Symposium on Electrohydrodynamics 2017
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 誘電体バリア放電プラズマアクチュエータにおける放電プラズマシミュレーションの妥当性検証2017

    • 著者名/発表者名
      中井公美,中野朝,西田浩之
    • 学会等名
      2017年度機械学会年次大会
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [学会発表] 誘電体バリア放電中における電気流体力学効果の再現を目的としたプラズマシミュレーションモデルの検証2017

    • 著者名/発表者名
      中井公美,中野朝,西田浩之
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム
    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [備考] 東京農工大学 西田研究室ホームページ

    • URL

      http://web.tuat.ac.jp/~nishida/index.html

    • 関連する報告書
      2019 実績報告書 2018 実績報告書
  • [備考] 東京農工大学 西田研究室ホームページ

    • URL

      http://web.tuat.ac.jp/~nishida/

    • 関連する報告書
      2017 実績報告書
  • [産業財産権] プラズマアクチュエーターの小型化2019

    • 発明者名
      淺海典夫,西田浩之,中井公美,畑本明彩未
    • 権利者名
      淺海典夫,西田浩之,中井公美,畑本明彩未
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2019-197809
    • 出願年月日
      2019
    • 関連する報告書
      2019 実績報告書

URL: 

公開日: 2017-05-25   更新日: 2024-03-26  

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