薄膜アクチュエータを用いた流れの能動制御

2000 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, 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 / 斜行波 / ピエゾセラミック素子

研究概要

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、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、新たな乱れを作り出すことなくT-S波および斜行波が励起できることが確認できていた。
本年度は制御用デバイスをピエゾセラミック素子に変えて基礎実験を行った。その結果PVDF圧電フィルムで発生させることができなかった角度の浅い斜行波対も生成できることが示され、さらにピエゾ素子を小型化し個数を増やすことで、様々な角度の片方向の斜行波の生成にも成功し、本研究の目的であった薄膜アクチュエータにより遷移過程の境界層に様々な波を導入する技術を開発するという点では目論見通りの成果を上げることができた。
しかしながら、実験装置の制約等の関係もあり、制御の結果として実際に遷移点を上流あるいは下流に移動させるという実験にまでは至らなかった。
2.数値シミュレーションによる研究
直交グリッドを用いたナビエ・ストークス計算の結果、ピエゾ素子が境界層中に波を生成する過程の再現に成功した。さらにそのメカニズムは、壁面における滑り無し条件を満足すべく壁面において局所的に生成される渦度の濃淡が移流拡散することによっているということが初めて明らかとなった。これはアクチュエータ素子の角部が動くことで変動が導入されているものと考えられていたメカニズムが誤っていることを示し、埋め込み型のアクチュエータによる流れの制御の可能性を示唆する結果である。

研究成果

• [文献書誌] 本木真人,福西祐 他2名: "平板境界層中の斜行波を能動制御する実験の数値シミュレーション"日本機械学会第36期東北支部講演会講演論文集. 002・1(印刷中). (2001)
• [文献書誌] Y.Fukunishi 他2名: "Generation of Olique Waves in a Blasius Boundary Layer by Thin Piezo-Film Actuators Attached to the Wall Surface"Laminar-Turbulent Transition, Springer. 301-306 (2000)
• [文献書誌] 森田潔,芝本弘一,福西祐: "ピエゾセラミックおよびPVDFを用いて平板境界層内に斜行波を生成する実験的研究"日本流体力学会誌. 19・別冊. 151-152 (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板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. 001・1. 14-15 (2000)
• [文献書誌] Y.Yokokawa and Y.Fukunishi: "Numerical study on characteristics of instability waves in a crossflow boundary layer"B 編 NAL Workshop on Prediction of Laminar-Turbulent Transition in Boundary Layers. 27(印刷中). (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. 65・637. 3042-3047 (1999)