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2023 年度 実績報告書

羽ばたかずに羽ばたくー非定常空気力学に基づく能動的気流制御システムの確立ー

研究課題

研究課題/領域番号 21K14343
研究機関東北大学

研究代表者

佐藤 慎太郎  東北大学, 工学研究科, 助教 (60869650)

研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード非定常空気力学 / プラズマアクチュエータ
研究実績の概要

本研究は飛翔生物の羽ばたき動作を模擬する新しい手法として、固定翼に可動部を持たない気流制御デバイスであるプラズマアクチュエータを搭載し、非定常的に発生する揚力の制御を試みるものである。
まず、数値シミュレーションにより、プラズマアクチュエータが生成する電気流体力が流れ場に付与することで、翼の羽ばたき動作によって生じる流れ場と類似した構造が再現できることを確認した。
また、数値計算の結果より、翼の羽ばたき動作によって生じる流れ場と類似した流れを誘起するためには、従来よりも大きな電気流体力を生成できるプラズマアクチュエータを開発する必要性が示唆されたため、実証実験と並行してプラズマアクチュエータの性能を向上させる研究も実施した。
実証実験として、翼周り流れの可視化および力計測を実施し、プラズマアクチュエータを従来とは逆方向に取り付けることで、低い迎え角の条件においても揚力の上昇を確認した。これは、翼前縁部付近に形成された渦構造が原因であると考えられる。さらに形成された渦構造が移流によって翼から離れると揚力が減少することも確認した。このような現象は、翼のピッチング運動によって引き起こされるものと類似しており、プラズマアクチュエータを用いて非定常的な揚力の生成に成功したと判断できる。
さらに、この逆向きに取り付けたプラズマアクチュエータによる流れの制御効果を評価するために、従来のプラズマアクチュエータによって制御される流れ場との比較を行った。その結果、迎え角が低い場合、従来のプラズマアクチュエータの駆動によって達成される揚力増加量よりも、渦構造を形成することで達成される揚力増加量の方が大きいことがわかった。
以上のことから、プラズマアクチュエータを用いることで、翼を動かさずとも揚力を非定常的に生成できることを実験的に示すことができたと言える。

  • 研究成果

    (5件)

すべて 2023

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (3件)

  • [雑誌論文] Ionic wind generation through coplanar discharge: A plasma actuator without exposed electrodes2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Shintaro、Sakurai Mahoro、Ohnishi Naofumi
    • 雑誌名

      AIP Advances

      巻: 13 ページ: 065001

    • DOI

      10.1063/5.0150335

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Towards Development of a Plasma Actuator without External Power Supply for Unmanned Aerial Vehicle2023

    • 著者名/発表者名
      Sato Shintaro and Ohnishi Naofumi
    • 雑誌名

      Journal of Evolving Space Activities

      巻: 1 ページ: 57

    • DOI

      10.57350/jesa.57

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] プラズマアクチュエータによる非定常揚力生成に関する実験的研究2023

    • 著者名/発表者名
      桜井まほろ、佐藤慎太郎、大西直文
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
  • [学会発表] ナノ秒パルス放電を用いた翼周りの剥離流れ制御に関する数値計算2023

    • 著者名/発表者名
      佐藤慎太郎、冨江響、大西直文
    • 学会等名
      日本機械学会2023年度年次大会
  • [学会発表] プラズマアクチュエータを用いた非定常揚力生成による無人航空機飛行制御の試み2023

    • 著者名/発表者名
      桜井まほろ、佐藤慎太郎、大西直文
    • 学会等名
      第61回飛行機シンポジウム

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公開日: 2024-12-25  

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