濃度・質量流束同時定量計測

は，噴射した場合に見られる特徴的な衝撃波により流れが偏向したためであると考えられ る．

4.2.4 縦渦の崩壊過程

縦渦の循環を図4.3 ~ 4.5中の(c)に示した平均渦度分布の面積分

dA

Γ ^  ^

_x ^(4.2)

により評価した．図4.13 に縦渦の循環の流れ方向変化を示す．噴射により縦渦の循環が大 きくなっていることがわかる．これは図4.1のように縦渦の吹き上げ領域にあたる圧縮ラン プ背面から空気およびヘリウムを斜めに噴射することで，縦渦の旋回速度が増加したため と考えられる．また，図 4.13から循環の計測値は流下に伴って減少している．縦渦が速度 算出格子点間隔よりも小さい渦に崩壊すれば渦度が小さく評価されるため，計測される縦 渦の循環値は小さく見積もられる．すなわち，循環の計測値の減少は縦渦崩壊の指標とす ることができる．図4.13より噴射の有無で比較すると，噴射なしの方が循環の減少が早く，

x = 100 mmでは循環値はほとんど0である．すなわち，噴射なしの場合にはx = 100 mmで

は縦渦は小スケールの渦へと崩壊していると考えられる．一方，噴射ありの場合は噴射に よる循環の増加もあり，x = 100 mmでも大きな循環を持った縦渦が存在している．

に縦渦や渦輪状構造で進行していくと考えられる．

文献54によれば，大規模な渦構造が小スケールの乱流渦を生成するエネルギーカスケー ド過程は以下のように説明される．発達した乱流運動では，大小様々な渦運動が励起され，

それらが強く相互作用している．流れの中で流体要素は引き伸ばされたりねじられたり回 転させられたりして複雑に変形する．この過程で，流れの空間構造に小さなスケールの変 動が生まれる．すなわち，大きなスケールの運動から小さなスケールの運動にエネルギー が伝達されたと解釈される．新しく生まれた小スケールの運動は，さらに小さなスケール の運動を誘起する．このように大きなスケールの運動（縦渦や渦輪状構造など）が小スケ ールの運動を誘起し，さらに小スケールの運動を生み出して渦が崩壊していくことで，燃 料と空気の接触面積は飛躍的に増加するはずである．このようにエネルギーが小さなスケ ールの運動成分へ徐々に運ばれていく過程はエネルギーカスケード過程と呼ばれ，エネル ギースペクトルE(k)に対してKolmogorovの-5/3乗則

 

k C ³²k^35

E _k (4.2)

が成り立つ．ここで，C_kはKolmogorov定数と呼ばれる普遍定数，はエネルギー注入率，k は波数である．図4.16はヘリウム噴射した場合の各x位置における縦渦対中心断面（z = 0

mm）での熱線出力のスペクトル分布の一例である．図中の赤実線はx = 50 mm，青実線はx

= 100 mmの結果であり，各点線は回路の周波数特性を表す無風時のスペクトル分布を，黒

の破線はKolmogorovの−5/3乗則である．図中の(a)は壁近傍境界層中，(b)は境界層と縦渦の

境界，(c)は図4.4, 4.5で平均濃度の高い縦渦対中心，(d)は縦渦と渦輪状構造の境界，(e)は変

動実効値が大きい渦輪状構造に対応する．(c)の縦渦対中心や渦輪状構造に対応する(e)では，

x = 100 mmにおいても−5/3乗則に一致しておらず，縦渦がまだ崩壊していないことがわか

る．一方，縦渦と渦輪状構造の境界である(d)では，流下に伴って−5/3 乗則に一致していく 様子が確認できる．これは縦渦と渦輪状構造の干渉により小スケールの渦を生成するカス ケード過程により渦が崩壊することを示していると考えられる．

4.4 まとめ

本章では，壁近傍に導入した縦渦に擬似燃料としてヘリウムを縦渦対の間から噴射した 流れ場を対象として，シュリーレン可視化法とステレオ PIV 計測により縦渦の形成から崩 壊に至る挙動を調べると共に，本研究で開発した２線式熱線流速計による混合評価手法を 用いて縦渦による混合過程を実験的に調べた．主要な結果を以下に示す．

れることを示した．また，この渦輪状構造のスケールは噴射なしの場合に大きく，流 下に伴って波長が大きくなることを示した．

・ 噴射なしの場合にはほぼ円形の縦渦が２つ形成されるが，噴射により楕円形の２つの 縦渦が噴射なしに比べてスパン方向に離れて形成される．

・ 縦渦の吹き上げ領域である圧縮ランプ背面から斜めに噴射することで，縦渦の旋回速 度が大きくなり，強い循環を持つ縦渦が導入されることを示した．また，計測される 循環値の流れ方向推移より，噴射によって縦渦は下流まで比較的安定して存在するこ とを示した．

・ ２線式熱線流速計による混合評価手法により，ヘリウムが混合していく様子を調べた．

その結果，縦渦やそれを取り巻く渦輪状構造によりヘリウムは広範囲に拡散し，混合 が進んでいくことを示した．

・ 熱線出力の周波数解析結果から縦渦や渦輪状構造ではx = 100 mmにおいても渦のカ スケード過程を示すKolmogorovの-5/3乗則に一致しないが，縦渦と渦輪状構造の境 界では-5/3乗則に一致する．このことから縦渦は渦輪状構造の撹乱により崩壊するこ とを示した．

Flow Mach 2.4

Injection angle: 30°

Expansion ramp angle: °

Compression ramp angle: ° 12.5 mm 5 mm 12.5 mm

18 mm

z

y

o Flow

x-direction:

2.5 mm

(b) (a)

図4.1 流れ場概略図，(a)俯瞰図，(b)断面図

y[mm]

None 10

20 (a)

Air 0

0 10 20

20 Helium

0 20 40 60 80 100 120 140 160 x[mm]

0 10 20

180 y[mm]

20 None (b)

None

Air 0 10

0 10 20

Helium

0 20 40 60 80 100 120 140 160 x[mm]

0 10 20

180 y[mm]

(c)

y[mm]

None

Air 0 10 20

10 20

Helium

0 20 40 60 80 100 120 140 160 x[mm]

0

0 10 20

180

図4.2 瞬間シュリーレン画像, (a) knife edge: low, (b) knife edge: left , (c) RMS , knife edge: left.

0 [-] 40

(a)

Flow 10

12

y[mm]

14

Schematic

10 12

y[mm]

14

None

10 12

y[mm]

14

Air

10 12

y[mm]

14

Helium

4 6

2 0 0 2 4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]

300 u [m/s] 600 v, w: 100 m/s

4 6

2

0 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm]

y[mm]

Schematic

y[mm]

None

y[mm]

Air

y[mm]

Helium (b)

Flow

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

-1.5×10^-5 [1/s]

4 6

2 0 0 2 4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]

1.5×10^-5

図4.3 yz断面PIV計測結果(x= 25 mm), (a)速度分布, (b)渦度分布，時計回りの渦度を正とした．

(a)

Flow 10

12

y[mm]

14

Schematic

10 12

y[mm]

14

None

10 12

y[mm]

14

Air

10 12

y[mm]

14

Helium

4 6

2 0 0 2 4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]

300 u [m/s] 600 v, w: 100 m/s

4 6

2

0 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm]

y[mm]

Schematic

y[mm]

None

y[mm]

Air

y[mm]

Helium (b)

Flow

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

-1.5×10^-5 [1/s]

4 6

2 0 0 2 4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]

1.5×10^-5

図4.4 yz断面PIV計測結果(x= 50 mm), (a)速度分布, (b)渦度分布，時計回りの渦度を正とした．

(a)

Flow 10

12

y[mm]

14

Schematic

10 12

y[mm]

14

None

10 12

y[mm]

14

Air

10 12

y[mm]

14

Helium

4 6

2 0 0 2 4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]0 0 2 4 6 2

4 6 8

z[mm]

300 u [m/s] 600 v, w: 100 m/s

4 6

2

0 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm] 0 2 4 6 z[mm]

y[mm]

Schematic

y[mm]

None

y[mm]

Air

y[mm]

Helium (b)

Flow

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

6 8 10 12 14

-1.5×10^-5 [1/s]

4 6

2 0 0 2 4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]0 0 2 4 6 2

4

z[mm]

1.5×10^-5

図4.5 yz断面PIV計測結果(x= 100 mm), (a)速度分布, (b)渦度分布，時計回りの渦度を正とし た．

40 50 60 0

-5 -10

5

10

z[mm]

x[mm]

40 50 60

0 -5 -10

5

10

z[mm]

x[mm]

(a)

(b)

図4.6 レーザシートによるxz断面可視化結果（y = 4 mm），(a)噴射なし，(b)空気噴射

y[mm]

None

Air

Helium 0

10 20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 x[mm]

0 10 20

0 10 20

180

図4.7 密度勾配変動を抽出した瞬間シュリーレン画像（ナイフエッジ：垂直）

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,12.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,12.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,12.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,10.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,10.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0,10.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 8.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 8.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 8.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 6.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 6.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 6.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 4.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 4.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 4.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 2.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 2.0) -5/3 power low

-15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

0.1 1 10 100

Power Spectrum [dB]

Scale [mm]

(x,y)=( 50.0, 2.0) -5/3 power low

(a) (b) (c)

x [mm]

 [mm]

None, Air, Helium 0 25 50 75 100 125 150 175 2

4 6 8 10 12 14

図4.9 渦輪状構造波長の流れ方向推移

x [mm]

ymax [mm]

None, Air, Helium 0 25 50 75 100 125 150 175 2

4 6 8 10 12 14 16

図4.10 渦輪状構造波長のパワースペクトルが最大となる高さymaxの流れ方向推移

x [mm]

ymax+/2 [mm]

None, Air, Helium 0 25 50 75 100 125 150 175 2

4 6 8 10 12 14 16 18 20

図4.11 渦輪状構造波長のパワースペクトルが最大になる高さymaxに波長/2を加えた値の

流れ方向推移

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

0 10 20 30 x[mm]

10 0 -10

5 -5

z[mm]

(a)

(b)

(c)

(d)

図4.12 縦渦デバイス近傍の面描(左)と点描(右)によるオイルフロー結果，(a)通風前，(b)噴

射なし，(c)空気噴射，(d)ヘリウム噴射

x [mm]

Circulation  [m2 /s] Re [-]

(10⁴)

None, Air, Helium

0 20 40 60 80 100

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0 0.5 1.0 1.5

0 [-] 1 10 [kg/m²s] 110 0 [-] 0.45 0 [kg/m²s] 35 0

2 4 6 8 10 12

0 2 4 0 2 4 0 2 4 0 2 4z[mm]

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10 12

(b) y[mm] (c) y[mm] (d) y[mm] (e)

y[mm]

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4

y[mm] (a)

z[mm]

z[mm]

z[mm]

z[mm]

図4.14 x = 50 mmにおける二線式熱線による混合評価結果，(a)熱線計測位置，(b)平均濃度 分布，(c)平均質量流束分布，(d)濃度の変動実効値分布，(e)質量流束の変動実効値 分布．図(a)中の赤点は図4.16に示したスペクトル計測点に対応する．

0 [-] 1 10 [kg/m²s] 110 0 [-] 0.45 0 [kg/m²s] 35 0

2 4 6 8 10 12

0 2 4 0 2 4 0 2 4 0 2 4z[mm]

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4 6 8 10

(b) y[mm] (c) y[mm] (d) 12 y[mm] (e)

y[mm]

0 2 4 6 8 10 12

0 2 4

y[mm] (a)

z[mm]

z[mm]

z[mm]

z[mm]

図4.15 x = 100 mmにおける二線式熱線による混合評価結果，(a)熱線計測位置，(b)平均濃

度分布，(c)平均質量流束分布，(d)濃度の変動実効値分布，(e)質量流束の変動実効 値分布．図(a)中の青点は図4.16に示したスペクトル計測点に対応する．

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 2 mm, y = 2 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 4 mm, y = 4 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 6mm, y = 8mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 7 mm, y = 11 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 9 mm, y = 12 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

(e)

(c) (d)

(a) (b)

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 2 mm, y = 2 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 4 mm, y = 4 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 6mm, y = 8mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 7 mm, y = 11 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

Frequency [Hz]

Power spectrum [dB]

y = 9 mm, y = 12 mm

10² 10³ 10⁴ 10⁵ 10⁶ -90

-80 -70 -60 -50 -40 -30

(e)

(c) (d)

(a) (b)

図4.16 縦渦対中心断面(z = 0 mm)のスペクトル分布，赤実線はx = 50 mm，青実線はx =100

mm，各点線はホワイトノイズ，黒破線はKolmogorovの-5/3乗則；(a)乱流境界層，

(c)縦渦対中央，(e)渦輪状構造，(b), (d)はそれらの境界に相当する

第 5 章 超音速縦渦による混合領域の拡大と

ドキュメント内 縦渦による超音速混合促進機構に関する研究 (ページ 52-66)