Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

数値解析 / 遷音速 / 遷移 / Large Eddy Simulation / 圧縮性流れ / 境界層 / 数値シミュレーション / LES

本年度は、遷音速ファンの性能解析において重要な技術課題である、衝撃波-層流境界層干渉に誘起される境界層遷移の数値シミュレーションを目標に昨年度開発したLESコードの改良を行い、流れ場の解析を行った。
まず、亜音速平板境界層のバイパス遷移のシミュレーションを行い、(1)実験結果とほぼ同じ位置で遷移が始まること(2)乱れ強さに応じて遷移位置が前後すること、を確認した。続いてGarnier & Sagaut(AIAA J. 40(2002))と同様の衝撃波-乱流境界層のシミュレーションを行った結果、圧力の2階微分に基づく衝撃波センサ関数では微弱な衝撃波を識別できないことが分ったため、速度ベクトルを用いた補正を行った。また、Roeスキームでは散逸過剰であったため、衝撃波付近の対流項評価にWENOスキームを採用した。以上の改良を施した結果、速度・乱れ全布や剥離位置が実験と一致する良好なシミュレーション結果を得ることができた。遷移と衝撃波-境界層干渉の双方で良好な結果が得られることを確認したのち、本題の衝撃波-層流境界層干渉に誘起された遷移のシミュレーションを行った。NASA MEMO 2-18-59Wの実験と同条件のシミュレーションを行った結果、実験と同様の摩擦係数分布を得ることが出来た。さらに流れ場を詳細に検討した結果、衝撃波が強い条件では剥離泡中ほど剥離剪断層で乱れが成長し始め、乱流遷移してから最付着するのに対し、中程度の衝撃波強度の場合には剥離泡後半から最付着点にかけて縦渦が成長し、最付着点下流で縦渦が崩壊して遷移に至る様子を明らかにすることができた。
以上から、本研究により従来のRANSベースのCFDコードでは解析困難であった衝撃波-層流境界層干渉に誘起される境界層遷移の数値シミュレーションを解析できる数値解析コードを開発し、さらに流れ場の詳細を明らかにすることができた。

旋回流 / 実験計測 / 熟線流速計 / 熱線流速計 / 数値シミュレーション / LES

今年度は、境界層型の熱線流速計を用いて円管内旋回乱流の時間平均速度場、及び乱流統計量の計測を行った。
本研究では支持針や支持棒の影響を受けにくい境界層型の熱線プローブを試作し、実験計測に使用した。熱線プローブ形状は、支持針を曲げ、支持棒の軸から30mm離れた位置に熱線受感部が付くよう加工した。支持針は、流れに対して支持針の影響を受けにくい角度として、支持棒の軸に垂直な面から約20ﾟの角度に曲げた。
単一傾斜型熱線を用いて、速度の3方向成分とレイノルズ応力成分を測定するには、流れに対する熱線受感部の設定姿勢を6つ以上の状態で計測する必要がある。本研究では、熱線受感部の中心を通る円管の半径軸上で熱線プローブを回転する方法を採用した。また、支持棒の軸に垂直な面に対して、熱線受感部が平行な熱線プローブと約20°の角度を持った熱線プローブの2種類を用いた。本研究では壁面から0.7mmと、これまでの研究に比べてより壁面近傍の測定が可能となった。
実験装置は、旋回流発生装置の後に内径:D=100mm・長さ:L=6000mmの円管を設置し、約3.4m^3の静定室・ISA1932ノズル流量計・約1.7m^3の静定室・送風機で構成される吸い込み型を採用した。円管内の測定位置は、円管の上流側からの距離が1.5Dから55.5Dまで3D間隔とし、半径方向の移動は備品購入した1/100mm表示可能なハイトゲージを利用した。旋回流発生装置の翼取付角度を変えることにより、自由渦型の旋回流と強制渦型の旋回流を流入することができた。実験条件は、旋回流発生装置の翼取付角度が0°,3°,6°,9°,12°,50°,60°、Re数は5.0×10^4〜1.0×10^5で行った。測定された旋回強さは55.5Dの位置で0.0〜0.7であった。
実験計測より、円管内旋回乱流の数値シミュレーションの評価に役立てる実験データの蓄積ができた。