| 研究課題/領域番号 |
21H01527
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
今村 太郎 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (30371115)
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| 研究分担者 |
李家 賢一 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (20175037)
横関 智弘 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (50399549)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| キーワード | モーフィング翼 / 風洞試験技術 / 流体構造連成解析 / 低レイノルズ数流れ |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は、申請者らが提案する「空気力を受動的かつ積極的に利用する新しいモーフィング翼型」について、先行研究で得た変形特性ならびに空力特性を踏まえ、より空力・構造の観点で優れた形状・機構を提案することである。以下に、2022年度に取り組んだ３項目についてまとめる。
１）これまでは、風洞試験のみで、受動的モーフィング翼の研究を行ってきていた。本年度は、受動的モーフィング翼型の空力性能および変形特性を予測するための空力構造連成解析手法を構築した。構造ソルバーおよび空力ソルバーそれぞれで単独に解析を行い、両者の間で解析結果をやり取りする弱連成手法を用いて、受動的モーフィング翼型の変形を静的空力弾性問題として扱った。変形形状、揚力係数およびモーメント係数に関しては、Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS)方程式を用いた場合は風洞実験と概ね一致する結果が得られた。
２）構造ソルバーの解析精度を検証するために、受動的モーフィング翼型の変形特性を静荷重試験により定量的に評価する方法を確立した。無風状態でモーフィング模型にコード方向の集中荷重を加え、荷重変位直線と変形形状を取得した。荷重実験結果と解析結果の比較を通じて、構造ソルバーは高い精度でモーフィング模型の変形を予測できることが示された。
３）モーフィング翼型周りのオイルフロー流れの解析を実施した。モーフィング翼型周りにおいても層流剥離泡の存在が明らかになった。
４）これまでは後縁部分が変形する受動的モーフィング翼型検討してきたが、本年度は前縁部分も含めて変形する受動的モーフィング翼型を３形状ほど検討した。
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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
2022年度終了時点で、当初想定されなかった問題点などは発生しておらず、予定通りに推移している。本課題は，A)新しい後縁モーフィング翼型のデザイン，B)前縁モーフィング機構のデザイン，C)デザインを支える技術の構築、の３つの大項目からなる。研究１年目の2021年度はA）とC）に取り組んだ。研究２年目の2022年度は主にB）とC)に取り組んだ。
A）については、2021年度に設計したデザインを踏襲し、2022年度はその特性解明に取り組んだ。風洞試験技術と合わせてシミュレーション手法を確立できたことで、両者を相補的に利用しながら研究を遂行できた。
B）については、前縁および後縁にモーフィング機構を組み込んだ翼型を新たに検討し、実際に三次元プリンタを用いて模型製作を行った。さらに、風洞試験を実施し、その受動的変形特性および空力特性取得に成功した。これまでの後縁モーフィング翼型では見られなかった、前縁が上がり後縁が下がる変形が観察された。
C)については、受動的モーフィング翼型の空力性能および変形特性を予測するための空力構造連成解析手法を構築した。構造解析には商用のCAD (Computer-Aided Design)ソフトウェアであるAutodesk Inventor上の有限要素解析(Finite Element Method, FEM)ソルバー、
空力解析には東京大学李家・今村研究室で開発中の階層型直交格子ベースの圧縮性空力ソルバーであるUTCartを用いる方法である。シミュレーション結果は、風洞試験で得られる変形形状を精度良く再現できる。また風洞実験では簡単に再現できない状況（風速や動圧の高い状況等）についても今後解析が可能になった。
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| 今後の研究の推進方策 |
2022年までの結果、後縁型受動的モーフィング翼型についての基本的な変形特性・空力特性については明らかにすることができた。風洞試験技術やシミュレーション技術を確立できた。この結果をもとに、以下に述べる３項目について重点的に取り組む
A)新しい後縁モーフィング翼型のデザイン：後縁受動的モーフィング機構がより効果的に働くような翼型について検討する。例えば、翼型後縁付近にGurney flapを取り付けると，翼型の後縁付近において上下面の圧力差を大きくすることができ、後縁モーフィング翼型の変形量を大きくできる可能性がある。つまり、より効果的に、後縁型受動的モーフィング翼型の流れに逆らった変形を引き出すことが期待される。
B) 前縁および後縁にモーフィング機構を組み込んだ翼型のデザイン：2022年度に取り組んだ前縁および後縁にモーフィング機構を組み込んだ翼型の改良に取り組む。具体的には、模型製作精度の向上、受動的変形メカニズムの解明、微小な振動を生じない翼型構造、モーフィング翼型の失速特性解明などが課題である。
C)デザインを支える技術の構築：2022年度までに、風洞試験だけではなくシミュレーションにより受動的モーフィング翼型の変形特性や空力特性を解析できるようになった。この技術を活用して、風洞試験においては簡単に再現できない実験条件（風速や動圧の高いケース）について検討し、後縁モーフィング翼型がより効果を発揮する条件について検討する。
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