三次元流れのエネルギー損失

• 研究課題/領域番号: 61550132
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 木下 凱文 (1987) 九州大学, 機能物質科学研究所, 助教授 (70037977); 妹尾 泰利 (1986) 九大, 生産科学研究所, 教授 (10038573)
• 研究分担者: 速水 洋 九州大学, 機能物質科学研究所, 教授 (10038606) ; 木下 凱文 九州大学, 生産科学研究所, 助手 (70037977)
• 研究期間 (年度): 1986 – 1987
• 研究課題ステータス: 完了 (1987年度)
• 配分額: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円); 1987年度: 200千円 (直接経費: 200千円); 1986年度: 1,600千円 (直接経費: 1,600千円)
• キーワード: 三次元流れ / エネルギー損失 / 減速損失 / 境界層の集積 / 曲がり通路 / 三次元平衡境界層 / 二次元流れ / 曲り通路 / 曲り損失

研究概要

三次元流れに関する従来の研究は, 翼列, 曲がり管など特定の通路内の流れの様子を実験的に研究し, それを理論的に説明しようとするものがほとんどであって, 流れが複雑であるからエネルギー損失が大きいのは当然と考えられており, エネルギー損失の機構については解明されていなかった.
本研究では三次元流れのエネルギー損失を理解するために, 特に損失の倍率が大きいと考えられる減速損失の機構について解明するために, 長方形断面曲がり通路を製作し, その装置を用いて, 最初に準平衡状態の区間で内外底壁面状の境界層の状態を調べた. 次に準平衡状態の区間から出口部にかけての通路形状を, 断面積一定, せばまり, 広がりとし, 内壁面での減速度を三通り変化させ, 減速度によって全体の圧力損失が変化する様子を調べた.
その結果曲がり部で測定された底壁面境界層は, 平衡状態にある境界層流れについて曲がり通路の外壁の状態のみを境界条件として境界厚さについて積分した主流方向分速度の角運動量方程式と曲率半径方向運動量方程式を解いて得られた予測値とよく一致し, 平衡状態にあることが確認された. また外壁面側では境界層が薄いのに対し, 内壁面では1/4通路高さの位置に底エネルギーの流れが集積し, 排除厚さがかなり厚くなることが判った.
さらに準平衡状態の区間から出口部にかけての区間では, 内壁の減速度が最も大きい通路の全圧損失は等速度の通路の場合の約1.6倍にもなり, 半径方向内向き流による二次流れが内壁面に集積して排除厚さが増加するために終端部が減速される三次元流れの減速損失は著しく大きくなることが判った.