2022 Fiscal Year Research-status Report
Elucidation of the Relationship between Cavitation Dynamic Characteristics and Flow toward the Realization of an Innovative Fluid Transport System
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22K03905
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
堀口 祐憲 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (60314837)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | キャビテーション / 動特性 / 単独翼 / インデューサ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体輸送システムでは、その中核を担うターボポンプやハイドロタービンで生じたキャビテーションにより、キャビテーションサージと呼ばれる激しい流量変動が生じる場合がある。この発生には、圧力変動や流量変動に対するキャビティ体積の変化率、すなわちキャビテーションの動特性が強く影響する。このため、キャビテーションの動特性の解明と理解が、信頼性の高い流体輸送システムの実現のために必要とされている。
そこで、本研究では、キャビテーションの動特性を体系的に理解することを大目標に定め、例としてロケット用ターボポンプインデューサを取り上げ、（１）ターボ機械の適用範囲の拡大を目指した、幅広い流量範囲における動特性の系統的解明、（２）動特性の設計への活用に向けた、動特性と流れの関係の解明、及び（３）流体輸送システムの安定性判別法の確立のための、キャビテーションサージの発生条件式の検証に取り組んでいる。
２０２２年度の研究では、単独翼に生じる翼端漏れ渦キャビティを詳細に観察し、流量変動を模擬した迎え角変動の周波数の増加に伴って、キャビティの変動の位相遅れが90度に漸近することを明らかにした。他方、キャビティが無い場合の翼端流れ場のPIVによる観察から、翼端漏れ流れが迎え角の変動に対して位相遅れ無く応答することがわかった。これらの結果から、翼端漏れ渦キャビテーションの応答性は、キャビティに大きく影響を受けていることが明らかになった。
また、キャビテーション不安定現象が発生するストレートケーシングと発生しない周方向溝付きケーシングの動特性を、キャビテーションサージの発生条件として提案された式に代入して流れ場の安定性を調べると、周方向溝付きケーシングの場合に安定性が向上していることを確認できた。これより、キャビテーションサージの発生条件式により、定性的に流れ場の安定性を把握し得ることが明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
単独翼に生じる翼端漏れ渦キャビテーションの実験結果を詳細に観察、分析することにより、前述のように、「迎え角変動に対するキャビティの変動の位相遅れが90度に漸近する」という知見と、「翼端漏れ渦キャビテーションの応答性は、キャビティに大きく影響を受ける」という知見が新たに得られた。本知見は、2023、2024年度に取り組む予定にしている、「インデューサの動特性と流れ場の関係の解明」に役立つ重要な知見であり、単独翼に生じる翼端漏れ渦キャビテーションに関する研究は、本申請課題で計画された研究を先取りしたものとなった。
一方、このように単独翼に生じる翼端漏れ渦キャビテーションの動特性と流れ場関係の解明に取り組んだため、当初予定していた、「幅広い流量におけるインデューサの動特性の計測と解明」の研究計画に遅れが生じている。
全体としては、おおむね順調に推移していると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
期間全体を通してみた場合に、研究はおおむね順調に推移している。本年度、研究を遂行することで、研究は計画通りに順調に推移するものと考えている。
2023年度は、幅広い流量に対して、動特性を解明する。具体的には、研究計画通りに、設計流量の30～80％、120％の流量時の動特性を明らかにする。各流量で、不安定現象が生じる低圧時から、流れ場が安定する高圧時まで系統的に調べる予定である。また、これらと並行してPIVにより翼端流れ場を計測し、動特性を流れ場の関係を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
消耗品として計上していた高精度差圧計、2個、25万円の購入を見送ったため、その分の費用が次年度使用額となった。壊れずに済んだために購入を見送れたが、いずれ壊れることが予想されるため、2023年度にはこれを購入する。
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