Title
スプリットフィルムプローブによる後方ステップ流れの
研究
Author(s)
照屋, 功; 日下部, 純二; 山里, 栄昭; 伊良部, 邦夫
Citation
琉球大学工学部紀要(42): 1-8
Issue Date
1991-09
URL
http://hdl.handle.net/20.500.12000/1999
Rights
琉球大学工学部紀要第42号，1991年 １
スプリットフィルムプローブによる後方ステップ流れの研究
照屋功＊日下部純二*＊山里栄昭＊伊良部邦夫＊ＡＳｔｕｄｙｏｆＢａｃｋｗａｒｄＦａｃｉｎｇＳｔｅｐＦ１ｏｗUsingaSplitFilmProbB
IsaoTnRuYA＊JunjiKusAKABE率・EishoYAMAzATo＊andKunioIRABu。 Abstract ReaLtachmentofaturbulentshcarlayerisanimportantprocessinwidcvarietyofenginceringsystems・Afewexamplesofsuchsystoms
arodiffusers，ａｌｌ･｢oilswithsoparationbubbles,suddenareaexpansionin pipesoI･ducts，buildingsandfenccs、 ComparisonofexporimonLaldntaandevaluationofpreviousworkson thissubjectarccomplicatedbylacko[instrumontsreliableinthesepa‐ rationregions lnthispaper，ａｎｅｘｐｅ｢imentwasconducLedcmployingasplitfilm probeinthebackwardfacingstepwhichhaslargeexpansionratioand highReynoldsnumber・Asplitfilmprobccanmeasuretheinstanta‐ neousmagnitudoanddirectiono【thevelocityintheseparationregion Fromthesemeasurementdata，time-meanvelocityprofiles，turbulence intensitiesandforwaTdflowfractionweTeevalu2ted‘ Theexperimentalresultsbroughtoutseveralfeaturesofthecomplex separation-reattachmentprocess・Freeshearlayerwasfullydeveloped upstreamoftime-meanreattachmentpoint，Themaximumroot-mean＝ squaresoflongitudinalvelocityandoflateralvelocitywereabｏｕｔ ｑ２２ａｎｄＯ１４ａｔａｂｏｕｔエ／ｴR＝０６ａｎｄ0.8respectively,whereristhe longitudinaldistanｃｅａｎｄ９ｃ庇ｉｓｔｈｅｔｉｍｅ－ｍｅanreattachmentlength Onsteadylwersingflowfractionstillextendedbeyondtime-mean reattachmentpoint． ＫｅｙＷｏｒｄｓ：BackwardFacingStep,Sepa｢ation，Reattachment,SplitFilmProbe． ターボ機械の羽根車，ディフューザ．流路の急jlR大部 翼列内の流れ等において，はく離の発生は場合によっ ては性能を著しく低下させるばかりでなく，擾動，騒 音の原因となっているそのためⅢはく離・再付若現 1．緒言 流体を取り扱う機械,装歴の中には，はく離・再付 着の生ずることが多いそのような流れ場，例えば， 受付：1991年５月13日 ＊工学部機械工学科 DepLofMechanicalEngmFac･ｏｆＥｎｇ． ～大学院工学研究科機械工学専攻 GraduateStudentOMechanicalEng．２スプリットフィルムブローブによる後方ステップ流れの研究：照屋・日下部・山里・伊良部 3８
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Ｆ１.》0,5 l；Ｔｙｐｃ Ｆｉｇ．1．Splitfilmprobe． 象の解明はその抑止，抑制といった観点からも工学上 きわめて重要である． 本研究では流路拡大比が大きく、高レイノルズ数の 後方ステップ流れを対象にする．この種の流れは，逆 流と順流が間欠的に現れ，かつ流れ方向，流速の溌動 が大きいために一般に用いられている熱線プロープ (1,Ｘ形）では正確な測定はできないそこで本研究で は逆流領域においても信頼性の高い測定が可龍なスプ リットフィルムプローブを用いて測定を行い，時間平 均速度．乱れ強さ,空間順流率分布等を求めた 4）壁面近くの測定が可能 5）取扱が簡単 などが挙げられる． ＳＦＰに対し流速U)vの流れ,がスプリット面から８ の角度で当たっているとき次式の関係が成り立つ（１）．Ｅｌ２＋ｋ２Ｅｐ２＝ａ＋bUlvm（１）
Ｅｌ２－ｋ２Ｅ２２＝ｃＵｖ〃ｓｉｎＯ（２）
ここでＥ,ⅢＥｈは各センサからの出九ｋ．ａ，ｂ１ Ｑｍ，ｎは定数である．定数ｋは２つのフィルムの 感度蓬を補正するものである ２．２鮫正 ＳＦＰシステムの較正はゲッチンゲン形大型風洞 （Ｉ、角吹出口）を使用して行った．ＳＦＰの較正に は各流速に対してスプリット面の角度を変化させて行 わなければならないため,図２に示すような較正治具 を製作した．サポートの先端部はＳＦＰのセンサー部 がサポート回転軸上に位圏するように曲げてありⅡス プリット面の角度を変えてもセンサの位腫は変わらな いようになっている．流速はＳＦＰから約20ｍ離れた 位畷にピトー管を設圃し，精密微差圧計に示される動 圧より求めた． 較正の際には，式(1)，式(2)に含まれる定数ｋ， およびａを，熱線流速計のゲイン，オフセット電圧等 を調整することにより，ｋ＝１，．ａ＝０とした．残り 2．スプリットフィルムプローブ ２．１基本特性 速度，乱れ強さ，順流率はスプリットフィルムプロー プ（以下ＳＦＰ）および定温度形熱線流速計を使って 測定した．図ｌにＳＦＰの概略を示す．ＳＦＰは石英 製の細線裏面に白金膜を蒸着させたもので白金膜は２ 本の分割線（スプリット面）によって２分されている． ＳＦＰの利点として 1）逆流を検出できる 2）瞬時の速度が測定でき，時系列データを得るこ とが容易である 3）空間分解能が高い琉球大学工学部紀要第42号，1991年 ３ ０ ０ ０ ２ 山ミン鷹、。、、昌叩へ（爾Ｉ』回 ／
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０ 1０ ２０Ｕ〕ｖ３０ｍ/ｓ
６ （bmirectionoftheflow Fig､３.CalibrationofasplitfilmprobeGtypel Fig.２．Calibramonsupportschomatic，２ｋＨｚ程度の応答性を確認した．佐灸木ら(2）は，格
子乱流を用いて，ＳＦＰと約10ｋＨｚの周波数まで平 坦な応答性を持つＩ形熱線プロープの出力波形の周波 数成分を比較することによりノミ1.5kHzの周波数範 囲で良好な応答性を得ているが,その結果と本実験結 果とを比較しても大差はない． ２．３逆流領域での測定 図４（a)はＡタイプのＳＦＰの測定の際の設腫方法 である．そのときのr，ソ方向の各速度成分は ｕ＝ＵｖｃｏｓＯ（３） ｕ＝UＷｓｉｎＯ（４） で示される，しかし，スプリット面から６の角度で 流れが当たっている場合に，ｓｉｎ６の値は正確に求め られるが，ｃｏｓ８に対してはＳＦＰの測定原理上，そ の絶対値のみしかわからないすなわち，ステップ下 流のようにcoBOの符号が間欠的に変化するような流 れ場においては正しい値はわからない．式（３）では cosOの項が入っているので間欠的な逆流領域では０J を求めることができず，この場合は式（４）によって Uの測定の承ができる． 図４（b)はＢタイプの設腫方法である．そのときの ９F，ｙ方向の各速度成分は ｕ＝UｉｖｓｉｎＯ（５） ｕ＝UlvcosO（６） であり，ｃｏｓＯの符号が定められないのはＡタイプと 同機である．この鰯合１はcosOを含まないので,どの 様な場合でも式（５）より正確に求められる． の定数は、較正結果より最小２乗法を使って求めた,その一例として，Ｂタイプの較正結果の！Ｅ１２＋
Eb2および（ＥＩ２－Ｅｉ２）／sin6をそれぞれ図３
(日)，（b）に示す． 周波数応答の確認は熱線流速計に内蔵されている矩 形波発信器を用いて行い流速が30m／Sにおいてﾉー 叩 ４ ｍ『ＵへシＥの、 断１時 0 （a)Magunitudeofthevelocity Fi9.3.Calibrationolasplitfilmprobe旧type)．４スプリットプィルムプローブによる後方ステップ流れの研究：照屋・日下部・山里・伊良部 Suppc｢Ｉ Support Ｐ ｌり 特ｂ ●● Ｊ ＄ ．『。０ ● 内Ｔ ｄ ｌ．ｒ一 一一 一一 Ｉ！ ＵＪ４ハ ｙ
し
olSplit 皿＝(ﾉﾉvcosO Ij＝〃lｖｓｉｍＯ ←一一・・一`･母仁〆 一一Ｘ (０１)Ａｔｙｐｃ 化)Ｂｔｙｐｅ Ｆｉｇ４．Ｌocationlorasplitljlmprobe（nottoscalc)． このように間欠的に逆流を含む流れ燭でも瞬時の速 度成分が測定可能である．木研究では，瞬時速度成分 の計測から，時間平均速度，乱れ強さ,順流率等を求 めた． 実験装置及び方法 図５に実験装極の概略を示す．作動流体として空気 を用い、風洞は吸い込み型である．ダクト長さはステッ プ上流側600,,1下流側3020ｍである轡
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票
伊山 ｒ ｅ ・ｏ ｍ ｎ ｄ ｏ ０， ・１ （し ・ｐ ｃ ｍ ｅ Ｕ く） 、ｈｔ ｅｔｃｅ 、ＩＵＵこ り０ｏｎ》Ⅱ 印しＮｍｔ確 ２ｅ１ＧＥｐ ｒｑＩｑｌ９－ＦＳ ｃｎＧｈｅｔ Ｑ》ＣｌＲ》・ＩＲ５①①①①①①
⑦oucCIIoli（F1atSide）
、DIjctHall（StePS1de）
①FonSpeedControlle「⑩F1owStraj9htener
Ocentrifug･ＩＦ｡、
⑫InductionHoterFig.５．Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｌｗｉｎｄｔｕｎｎｅｌａｎｄｔｅstsection
琉球大学工学部紀要第42号，1991年 ５
入口主流速度ｕ)からなるレイノルズ数をＲｅ＝Ｕｂ・
fj／リーlx1O5に設定した.このときの基準断面で
の境界屑は排除厚さ1.4,1運動量厚さ1.0,,1形状係 数1.4であり発達した乱流境界層である.基準断面で の流れの状態を表１に示す． 】Ｉ＝６０ｍｍ Ｗ,＝ｅ０ｍｍ Ｗ２＝ｌ２０ＺＩＸＪＩＩ Ｂ＝２４０KRI、 TableLInletflowconditionatreferencB section（x′Ｈ＝－３)． Filf､６．Coordinatc5systemo「tostsection． 座標系およびステップ概略を図６に示す．ステップ 下段スパン中央の位鰹に座標原点をとり,管軸方向に x､ステップ側壁から高さ方向にｙ､スパン方向にＺ をとる．ステップ高さ〃＝60mm，ダクト高さは，ステッ プ上流側Ｗ】＝６０ｍ，下流ｍＩＷｈ＝120ｍｍ，スパン 幅Ｂは240mmであり流路拡大比Ｗ９／剛は２である． 図７に本実験の測定系ブロック線図を示す．ＳＦＰ の２つのセンサはそれぞれ定温度形熱線流速計により 加熱され，出力電圧は２乗器およびローパスフィルタ に通した後Ａ／Ｄボードを介してサンプリングデータ 数Ｎ＝65536個，サンプリング周波数ＦＤ＝4.2kHzでパ ソコンに取り込まれる．データは一時フロッピーディ スクに記録した後,600メガバイトの記憶容量をもつ 光磁気ディスクに保存した．解析は数値演算プロセッ サを内蔵した32ビットパソコン（PC-9801RA51） で行った． ＳＦＰはz＝０の位圏でサポート軸をｙ方向と平行 に設極し，００５ｍの糖度をもつトラバース装腰を使っ てＢタイプでｕを１Ａタイプでひを測定した．実験の 条件は基準断面苑／Ｈ－－３においてステップ高さ丘 D・ロ 4．実験結果及び考察時間平均再付霜距離g[nはｚ＝0,ステップ倒墜面から
0.5画の高さに感熱部が来るように設遜したサーマルタブトプロープ(3)を用いて壁面近傍の流れの順流率を
測定し，順流率γ＝0.5となる位圏から罪R／Ｈ＝7.9
を得た． ４．１時間平均速度図８に戈方向時間平均速度ｕ／Ubの分布を示す.
はく離せん断層および壁面境界層厚さの成長により，
主流部がｊｃ／唖＝0.7付近で消滅している．再循環領域での逆流の大きさは苑／韮R-0.6付近でUbの約
22％である．この殿大逆流速度はＫｉｍら(4)（Ｗｈ／
Ｗ)＝1.33,1.5）と比較して小さいまた，再付着後Fig.７．B1ockdiagramofinstrumentsforsplitfilmprobemeasurement．
ReynoIdsnumbe「 JBe＝、０．Ｈル lｘｌＯ５ DispI3cementthickne5s６ウ 1.4ｍｍ Momentumthickness O ＬＯｍｎｚ Shapefhcto「 ６゜/０ 1.4 Momentumthickness Reynold5numbe「 neO＝Ｕぴ0〃 1600 Free5treamturbulence 0.5％６スプリットフィルムプロープによる後方ステップ流れの研究：照屋・日下部,山里・伊良部 ２
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Ｆｉｇ．８．Distribuliono（Iimc-meanlonglludinalvclocilby． ０ ＱＵ／尤尺＝1.2）ではステップ壁側の境界周が発達して くるのに対し，管路中央部での速度分布の変化は少な い． 図９は，はく離せん断厨の厚さＢとその代表速度 ＤＢの流jz方向の変化を示したものである．ここで！ BおよびUbはそれぞれ,各断面内で皿が鍍大速度差 の3／4および1／4を示すy座標の幅およびその速度差 で定義した．はく離せん断層厚さＢは，罪／発狂く0.3 では下に凸，｡c／"R＞0.3では上に凸となる増加傾向 を示し,約尭／jrR＞0.7ではほとんど増加しなくなる ことがわかる．Ｕｈは,約工/jcJr-0.45で極大値をと り，その後，一定の傾きで減少する． 図１０に排除厚さ６．１運動量厚さ６伽，エネルギ厚 さ６億の虻方向変化を示す．ここで６．，６，，６‘は ０ ●１ざ一昔
1.2 ０８６ １００ 画へ（・垣《頂や《、｛） ５ ●函一国０
４２０ ００ ■ｘ/x'’０
０．５ 0 ０'０ｚ/２，１【
Fig.９.ChangeofthicknessBandvelocityUbof theseparatedshearlayermthelongi‐ tudinaldirection． Fig.10.ChangeofintegralparamBterinlongi‐ tudinaldirection．琉球大学工学部紀要第42号，1991年 ７ ４．２乱れ強さの分布 図11,12にそれぞれr,ｙ方向の乱れ強さの分布を 示す．ｒ方向の乱れ強さは，せん断層および平面壁 側で流れ方向に増加しておりⅢせん断厨の中では 館／r几＝0.6付近で最大値をとっている．ｙ方向の乱 れ強さはｒ方向の乱れ強さよりも全体的に小さく，フ ラット側壁面に向かっては,ほぼ直線的に広がってお
り，せん断層の同方向への成長に対応している．ｙ方
向の乱れ強さの堰大値は約ｒ／発況＝0.8にあり，元方
向の乱れ強さの鐙大値位圃よりも約0.2jFR下流にあ
ることがわかる．また，ステップ側壁面に向かっては 苑方向の乱れ強さの成長と同じ傾向を示す． ４．３空間順流率分布 図１３に順流率γの空間分布を示し，比較のため時 間平均速度ｕから求めた分離流線も含めてある．γは 流れが順流となっている時間割合である．通常の熱線 プロープではｏ＜γ＜１の範囲では正確な測定はで きないが，ＳＦＰでは順流率の分布に関係せず,正確6`一式エル(･祠`"‐鰹)dj，（７）
`碗一点/;廟１Ｗ…-“)”(`）
`～☆"／;…川一哩邊)の(9)
であり，Uhz唾は各断面における最大流速’ 兆・ェはＵｉ７ｍｒをあたえるｙ方向高さである. 排除厚さ６㎡は約ｘ／gUH＝0.82から急減している．再付着点ｒ／尤庇＝１．０における形状係数Ｈｌ２＝６㎡／
６，，Ｊ132＝６個／６ｍはそれぞれ3.211.6である.これらの値は後向きステップでの実験値（Ｈ１2-3.1,Ｈ32＝
1.4）(5)だけでなくⅢ前縁はく離泡の実験値（Hl2＝
3.4,Ｎ32＝1.5)(6)にも近いこれは，佐奇木ら（6）
も指摘しているようにⅢ再付着点の速度分布は，はく 離の形態に関係せず共通の分布を有するためと考えら れる．’
D-OdZ-￣0.0ｔ 【】 王/a２ｊｉFig.1LDistributionofturbulenceintensity（寂)'/2/DC．
０ ０．２ ０．４ 0.6０．８ 1.0 1２ 1．４ 露/工,ＩFig.12.DistributionofIurbulenceintensity（戸)'/2/DC．
８スブリットフィルムプロープによる後方ステップ流れの研究：照屋・日下部・山里・伊良部 ０． ０２０．４０．６０．８１．０１．２ コ;/印ｨ， Fig.13．Distributionoflorward［lowfraction7． １．４ な測定ができる．γの分布は１７＝０．５を中心に， フラット側壁面に向かって連続的に大きくなり１ス テップ側壁面へ向かっては逆に小さくなっている．約 苑／r几＜0.1のステップ側壁面に近い領域ではγ＝0.5 の等値線があり．上流へ向かう流れが再はく離を おこしていることがわかる．γ＝0.99の等値線は約 苑／兀況＝1.4まで伸びており，再付着領域が広い範囲 にわたっていることがわかる． （３）時間平均再付着点より下流側にも広い範囲で非 定常な逆流領域が存在する． 今後は､条件付き抽出法を用いることによって，は く離せん断闇の非定常構造を明らかにして行きたいと 考えている． 終わりに,実験装極の作製にあたり助力を受けた佐 久川恵博技官，実験に協力して下さった当時卒研生の 照屋泰彦Ⅲ桑江英樹の両氏に謝意を表する．なお本研 究の一部は平成２年度教育研究学内特別経費による援 助を受けて行われたことを付記する． 5．鯖鏑 本論文では,逆流領域，すなわち逆流と順流が間欠 的に現れ,,かつ流れ方向の変動が大きい流れ場でも信 頼性の高い測定が可能なスプリットフィルムプロープ の特性，較正法及び測定法を示した．また，その測定 法を流路拡大比２の後方ステップに形成されるはく離． 再付着の流れ場に用いることによって，その流れ場を 明らかにした．その結果Ⅲ次のような知見を得た.
