| 研究課題/領域番号 |
21K03907
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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研究代表者 |
山田 俊輔 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (90516220)
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| 研究分担者 |
船見 祐揮 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (70738004)
中村 元 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (80531996)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 520千円 (直接経費: 400千円、間接経費: 120千円)
2022年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
2021年度: 2,990千円 (直接経費: 2,300千円、間接経費: 690千円)
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| キーワード | バックステップ / スキャニングPIV / 高速赤外線カメラ / コヒーレント構造 / 非定常熱流動場 / スキャニングステレオPIV / ステレオPIV / バックステップ流れ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
ガスタービンや電子機器といった伝熱が関わる熱流体機械の設計では，流体・固体間の対流により伝わる熱流束を見積もるためには，熱伝達率を把握する必要がある．しかし，流れのはく離に伴いはく離せん断層で形成されコヒーレント構造は，対流による熱流束変動に大きく影響し，熱設計をするための熱伝達率を決定することは困難である．本研究では，はく離せん断層で形成されるコヒーレント構造により，壁近傍へ輸送される運動量の時空間的な様相を把握し，同時刻の流体・固体間の熱伝達による熱輸送量の同時計測を実施する．これらの流体の変動情報から，対流による熱伝達率を予測し，熱設計に必要な流体・固体間の熱伝達率の予測手法を提案する．
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| 研究実績の概要 |
令和5年度は，１）計測システムの改良，２）各断面の速度分布の検証，３）時間遅れの補正方法を検討した．
１）システムの改良点としてレーザシート光学系のレンズの再設計をおこなった．カメラレンズの被写界深度を深くするため，レンズのF値をあげても画像内の粒子を十分な輝度で撮影できるよう，レーザシート光学系のレンズの組み合わせを検討した．設計手法として，レーザ光を近軸光線追跡式で近似し，ガルバノスキャナのミラーの大きさと計測部でのシート光厚さを考慮し，レーザシート光の拡散を抑制して，画像内の粒子輝度が十分な明るさで撮影できるようにレーザーシート光学系のレンズを設計した．理論的に計算される被写界深度は，±20mmとなった．
２）ガルバノスキャナのスキャン速度の観点からレイノルズ数を1300程度に設定し，計測した各断面の計測精度を熱線流速計の速度分布と比較した．2次元スキャニングPIVによる面計測した速度分布と熱線流速計による点計測した速度分布で比較するため，平均速度分布で比較を行った．2次元スキャニングPIVと熱線流速計で計測した各断面の平均速度分布の差異は4.2 %となり，2次元スキャニングPIVの各断面の分布のバラつきの差異は，1.7%となり，シート光学系の設計変更により，バラつきは軽減した．
３）バックステップ下流のx=150mmの位置を中心に，ステップ下流の135mmから170mm を，また壁垂方向に20mmを撮影領域とした．奥行き方向には2mm間隔で，スキャン範囲を±6 mmとして，2次元スキャニングPIVを実施した．その結果，スパン方向の瞬時速度にはレーザシートの移動に伴う速度分布の差異が現れることから，流れの移流速度を算出し，レーザシートの移動による時間遅れを補正した．補正した各断面の速度分布を3次元に再構成すると，z=0mmに対称とした流れの構造と蛇行する流れが観察できた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
令和4年度までに構築した装置で熱伝達率を推測した際，2次元スキャニングPIVで計測した各断面の速度分布の差異が大きく，十分な計測精度とは言えなかった．令和5年度では，計測精度向上のためのシステムや装置の改良，並びに各断面における撮影時間の時間遅れを補正することとなった．これらのことから，3次元の速度成分の再構成が可能となった．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和６年度は，熱伝達率の推測モデルの検証を行う．バックステップのステップ高さを代表値とたレイノルズ数が2000から4000程度の流れを想定し，ガルバノスキャナの駆動速度の向上のための冷却装置等を新たに検討する．目標の駆動周波数を2kHz程度ととし，同周波数のサンプリングレートでスキャニングPIVと高速赤外線カメラを用いた同時計測を行う．得られる3次元速度成分から3次元渦構造を可視化する．渦構造による運動量輸送時間スケールを算出し，構築した熱伝達モデルから熱伝達率の推定を行う．推定した熱伝達率の結果から，実験値と比較することにより妥当性を検証し，流体による運動量輸送と熱輸送に関するアナロジを明らかにする．
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