薄膜アクチュエータを用いた流れの能動制御

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450069
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 福西 祐 東北大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (60189967)
• 研究分担者: 中橋 和博 東北大学, 大学院・工学研究科, 教授 (00207854) ; 小濱 泰昭 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (60006202)
• キーワード: 薄膜アクチュエータ / 能動制御 / T-S波 / PVDFフィルム / セラミックピエゾ素子 / 斜行波

研究概要

本研究は抵抗の増大を極めて小さく抑えられるほどの薄さの薄膜アクチュエータを境界層遷移の制御デバイスとして用いようとする試みである。制御対象とする流れは最も基本的な流れ場の一つである平板境界層であり、制御の対象とするのは乱流遷移過程初期に現れるトルミーン・シュリヒティング波(以下T-S波)および斜行波である。
1.風洞実験による研究
すでに昨年度の成果としてPVDF圧電フィルムを薄い突起物として平板表面に接着し、圧電フィルム制御用ワークステーションの信号により圧電フィルム駆動用高速電力増幅器を通じて駆動し、新たな乱れを作り出すことなくT-S波が励起できることが確認できていた。本年度はさらに各フィルムに位相を変化させた信号を送ることにより、斜行波も励起する基礎実験を行った。その結果本研究の方法を採ることで斜行波、特に従来生成が難しいとされていた角度が大きい斜行波が比較的容易に生成できることが確認された。しかし逆に角度の浅い斜行波の生成には問題が残った。厚さ・電極材料などの異なる各種ピエゾ素子を比較評価することも本研究の目的の一つであったが、セラミックピエゾ素子が有効で、PVDF圧電フィルムでは難しかった角度の浅い斜行波の生成も可能であることが明らかとなった。
2.数値シミュレーションによる研究
この種の流れの数値シミュレーションは表面の微小振動から流れの中に形成される大規模な渦まで、かなりスケールの異なる現象を取り扱わなければならないため一般的には困難とされる。我々は、2次元のナビエストークスによる受容性の計算コードを3次元に拡張して上記の風洞実験を再現することを試みている。しかしながら膨大な計算時間を要することもあり種々の困難に直面しており、本格的な数値シミュレーションによる解析にまでは至っていない。

研究成果

• [文献書誌] Y.Fukunishi,I.Ebina and R.Kobayashi: "Generation of oblique waves in a Blasius boundary layer by thin Piezo-film actuators attached to the wall surface"Proc.IUTAM symposium on Laminar-Turbulent Transition. printing. (2000)
• [文献書誌] 福西 祐,海老名 勲: "薄膜アクチュエータによる境界層遷移の能動制御"日本機械学会論文集. B編,65. 3042-3047 (1999)
• [文献書誌] 福西 祐,森田 潔,横川 譲: "アクチュエータの微小な動きによる境界層中の斜行波の生成"第49回理論応用力学講演会講演論文集. 411-412 (2000)
• [文献書誌] 芝本弘一、森田 潔、福西 祐: "セラミックピエゾ素子により平坂境界層中に斜行波を生成する実験的研究"日本機械学会東北支部第35期総会講演会講演論文集. No.991-1. (2000)
• [文献書誌] K.Nakahashi,F.Togashi,D.Sharov: "An Intergrid-Boundary Definition Method for Overset Unstructured Grid Approach"Proc.14th ALAA Computational Fluid Dynamics Conference. AIAA-#3304. (1999)
• [文献書誌] M.Murayama,K.Nakahashi,K.Sawada: "Numerical Simulation of Vortex Breakdown Using Adaptive Refinement with Vortex-Center Identification"38th Aerospace Sciences Meeting and Exhibit,Reno.January 2000. AIAA-#0806. (2000)