| 研究課題/領域番号 |
18K03938
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| 研究機関 | 福井工業大学 |
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研究代表者 |
清水 大 福井工業大学, 工学部, 教授 (40448048)
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| 研究分担者 |
杉本 信正 関西大学, システム理工学部, 教授 (20116049)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 熱音響自励振動 / ヘルムホルツ共鳴器 / 局所接続 / 対称性 / 2次高調波 / エネルギーカスケード |
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| 研究実績の概要 |
大型共鳴器の局所接続により，熱音響自励振動を大振幅化できるか否かを明らかにするため，これまで構築してきたヘルムホルツ共鳴器列の接続が可能な定在波型熱音響エンジンを基礎として，新しい実験装置の設計・構築を進めた．まず，複数の共鳴器を局所的に接続可能とする装置の設計・製作を行った．共鳴器列を接続する従来の実験装置では，軸方向の対称性のみを考慮してきたが，本研究では，軸方向における特定の位置に複数の共鳴器を局所的に取り付けることから，円周方向の対称性が維持される構造を有する装置の設計・製作を進めた．円周方向の対称性が失われると，未知な3次元流れが生じ，共鳴器を局所的に接続することによる効果を純粋に評価することが難しくなる．これまでのところ，当初予定していた3つの装置(円周方向に等間隔に空けた横穴の数が6, 8, 10個の装置)に加え，加工が困難であろうと思われた最大12個の共鳴器を局所的に接続可能な装置の設計・製作も行った．これにより，円周方向の対称性を保ちながら共鳴器の接続数を連続的に0個から6個まで変更可能とし，6個以降は2個ずつ接続数を増やすことにより，最大12個まで円周方向の対称性を保ちながら共鳴器を接続できる装置を構築した．また，これらの装置を任意な位置へ組み込むことを可能とするため，実験装置本体を構成するステンレス管を組み直すための新たなステンレス管の設計・製作を進めた．軸方向長さの異なる短い管を複数製作することにより，軸方向に関して上記装置の取り付け位置を数cm単位で変更できる構造とした．また，従来よりも全長を短くすることにより，相対的に大型の共鳴器を接続する効果を評価できる実験装置を構築した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
当初，複数の共鳴器を局所的に接続可能とする装置を精度良く加工することが難しく，円周方向の対称性を維持することが困難であった．しかしながら，加工手順等を変更することにより，最終的には円周方向に等間隔かつ正確な角度のとれた横穴の加工が可能となり，難しいと思われた横穴12個の装置も製作することができた．また，今回新たに構築した実験装置では，設計の基本とした従来の共鳴器列を接続する実験装置と比べ，実験装置本体を構成するステンレス直管の部品点数が大幅に増えることから，管内の気密性が低下することが懸念された．しかしながら，共鳴器を接続しない状態における熱音響自励振動の発生実験を行ったところ，超過圧のpeak-to-peak値が大気圧の8%程度となる非線形熱音響自励振動の発生が確認され，従来の実験装置と同程度の結果が得られた．観測された自励振動には，本研究における顕著な抑制の対象となる２次高調波だけでなく，様々な高調波が含まれていることも確認された．以上のことから，本研究の目的である共鳴器の局所接続による熱音響自励振動の大振幅化を評価するために必要な性能を有する実験装置の構築は，予定通り進展している．一方，共鳴器を相対的に大型化するために実験装置の全長を短くしたことにより，共鳴器を局所的に接続する装置の最適な取り付け位置は未だ不明な状態である．しかしながら，超過圧における２次高調波の腹に相当する実験装置の中央付近に装置を取り付けることにより，これまでのところ，超過圧のpeak-to-peak値に関して，複数の共鳴器を局所接続することにより，少なくとも15%以上の増幅が可能であることが明らかとなり，今後，更なる増幅が期待される．
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| 今後の研究の推進方策 |
管中央付近において，共鳴器の局所接続を可能とする装置の取り付け位置を少しずつ変更し，各取り付け位置における共鳴器の接続数を0個から最大12個まで変更する実験を行う．これにより，超過圧の増幅率が最大となる装置の最適な取り付け位置および共鳴器の最適な接続数を明らかにする．また，自励振動に含まれる特定の振動モード，とりわけ２次振動モードの発生を顕著に抑制することにより，より高次な振動モードへのエネルギーカスケードが抑制され，熱音響自励振動の大振幅化が可能であることを明らかにする．これまでのところ，実験装置の全長を短くすることによって共鳴器を相対的に大型化し，共鳴器の固有振動数が自励振動の２次振動モードの振動数と比較的近い場合の実験を行っている．しかしながら，これらが完全に一致すると減衰効果が極端に大きくなり，大振幅化に有効でないことが予想されることから，自励振動の固有振動数と共鳴器の固有振動数の関係に注視して実験を進める．また，定在波型熱音響エンジンにおける実験と並行して，本年度作成した共鳴器の局所接続を可能とする装置一式をもう一組作成し，共鳴器の局所接続が可能な進行波型熱音響エンジンの構築を進める．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
測定機器類の準備を優先して研究費を執行したため，当初見込み額と執行額はわずかに異なったが，研究計画に変更はなく，前年度の研究費も含め当初の予定通り計画を進めていく．
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