非定常キャビテーション流れの数値シミュレーション手法の開発

2004 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 14550138
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652)
• 研究分担者: 伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (50375119)
• 研究期間 (年度): 2002 – 2004
• キーワード: キャビテーション / 相変化 / 数値シュミレーション / 翼列流れ / ターボポンプ

研究概要

本研究では、液体ロケットエンジン・ターボポンプ等の流体機械の設計開発に際し、キャビテーションを伴う高速かつ非定常な流れの詳細な流動特性が解明できる数値解析手法を実用化することを目指した。キャビテーション流れにおける液相と気相の混合状態、極低マッハ数域と超音速域の混在を同時に扱える統一手法の開発を行い、種々のキャビテーション流れの数値解析によって、その有効性を検証した。
翼形まわりの三次元非定常キャビテーション流れでは、シートキャビティの崩壊に伴って生ずるU字型のクラウドキャビティの大規模な三次元渦構造を再現できることを確認するとともに、このような渦構造は翼端の水槽側壁に発達する境界層の影響によるものであることを明らかにした。
一枚周期平板翼列におけるキャビテーション流れでは、その翼列配置による二種類のメカニズムによってシートキャビティブレークオフ現象が引き起こされることを数値的に明らかにした。三枚周期平板翼列では、旋回キャビテーション、旋回失速キャビテーション、およびキャビテーションサージのターボポンプで発生する代表的な三種のキャビテーション不安定現象を一つの計算コードにより統一的に再現できることを示した。また、キャビテーションサージが発生する際の流れ場の振動特性を予測した。
二段三枚周期平板翼列による多段軸流ターボポンプ内部を想定した数値解析では、前段翼と後段翼の翼間隙間からの流れによって周期的なキャビテーション現象の不規則性を増加させることにより、キャビテーション不安定現象の発生を抑制でき、システム全体を安定化できることを示した。
キャビテーションを伴う気中水噴流では、ノズル内で発生したキャビティクラウドの崩壊時の衝撃圧が噴流界面に大規模な変形を引き起こすことを明らかにした。

研究成果

• [雑誌論文] Numerical Analysis of Cavitation Instabilities Arising in The Three-Blade Cascade (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Iga, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Journal of Fluids Engineering, Trans.ASME Vol.126,No.3 ページ: 419-429
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical Analysis of Cavitation Instabilities Arising in The Three-Blade Cascade (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Iga, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Journal of Fluids Engineering, Trans.ASME Vol.126, No.3 ページ: 419-429
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] 二次元流路における流体過度現象に関する数値解析 (2003)
  • 著者名/発表者名: 浜口勝洋, 申炳録, 井小萩利明
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 69巻679号 ページ: 25-32
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical Study of Sheet Cavitation Break-Off Phenomenon on a Cascade Hydrofoil (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Iga, B.R.Shin, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Journal of Fluids Engineering, Trans, ASME Vol.125,No.4 ページ: 643-651
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical simulation of unsteady cavitating flows using a homogenous equilibrium model (2003)
  • 著者名/発表者名: B.R.Shin, Y.Iwata, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Computational Mechanics 30 ページ: 388-395
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical Analysis of Hydraulic Transient Phenomenon in 2D Duct (2003)
  • 著者名/発表者名: K.Hamaguchi, B.R.Shin, T.Ikohagi
  • 雑誌名: JSME Journal Series B(in Japanese) Vol.69 No.679 ページ: 25-32
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Numerical Study of Sheet Cavitation Break-Off Phenomenon on a Cascade Hydrofoil (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Iga, B.R.Shin, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Journal of Fluids Engineering, Trans, ASME Vol.125, No.4 ページ: 643-651
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Numerical Simulation of Unsteady Cavitating Flows Using a Homogenous Equilibrium Model (2003)
  • 著者名/発表者名: B.R.Shin, Y.Iwata, T.Ikohagi
  • 雑誌名: Computational Mechanics 30 ページ: 388-395
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] 翼列翼まわりの二次元非定常キャビテーション流れの数値解析 (2002)
  • 著者名/発表者名: 伊賀由佳, 能見基彦, 後藤彰, 申炳録, 井小萩利明
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 68巻666号 ページ: 368-374
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] キャビテーションを伴う高速水中水噴流の数値シュミレーション (2002)
  • 著者名/発表者名: 福士陽, 中森一郎, 井小萩利明
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集(B編) 68巻673号 ページ: 2496-2503
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Numerical Analysis of 2D Unsteady Cavitating Flow around Hydrofoil (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Iga, B.R.Shin, M.Nohmi, A.Goto, T.Ikohagi
  • 雑誌名: JSME Journal Series B(in Japanese) Vol.68 No.666 ページ: 368-374
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Numerical Simulation of Underwater High-Speed Water Jet with Cavitaiton (2002)
  • 著者名/発表者名: Y.Fukushi, I.Nakamori, T.Ikohagi
  • 雑誌名: JSME Journal Series B(in Japanese) Vol.68 No.673 ページ: 2496-2503
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より