はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究: University of the Ryukyus Repository

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Title

はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究

Author(s)

照屋, 功; 具志堅, 貴之; 山里, 栄昭; 伊良部, 邦夫

Citation

琉球大学工学部紀要(44): 13-20

Issue Date

1992-09

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/1998

Rights

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琉球大学工学部紀要第44号，1992年 1３

はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究

照屋功＊具志堅貴之*＊山里栄昭＊伊良部邦夫＊

ExperimentaIStudyonUnsteadyStuctures

inaReattachingSeparatedFＩｏｗＦｉｅＩｄ

ＩｓａｏＴＥＲＵＹＡ＊TakayukiGUSHIKEN*＊EishoYAMAZATO＊

ａｎｄＫｕｎｉｏｌＲＡＢＵ＊ Abstract

Separatedandreattachingflowfieldsobsewedinengineering

equipmentsareextremolycomplexbecauseofitsunsteadinessandthree-dimensionalstructure・Ｉｔｉｓｗｅｌｌｋｎｏｗｎｔｈａｔｏｆｏｒｇａｎｉｚｅｄｌａrge-scale

vorljcalstructurcsappearintheseparatedshearlayer、

Ｔｈｅｐｕｒｐｏｓｃｏｆｔｈｉｓｓｔｕｄｙｉstoexploreexperimentallythelarge-scalevorticesinaseparatedandreattachingshearlayerevolvingfrom abackwardfacingstepedgeaｎｄｔｏｆｉｎｄｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｆｒｅｅｓｔｒｅａm andtheperiodicityofmotionoflaTge-scalevortices、 Inthisinvestigation，thereattachmentlengthofthesheaｒｌａｙｅｒｗａsdeterminedbasedonthemeasurementswithathermal-tuftprobe・ ThewallpressureandthevelocityfluctuationsweremeasuredwithａｐｒｅｓｓｕｒｅｓｅｎｓｏｒａｎｄａｎＩｔｙｐｅｈｏｔｗireproberespectively・Thosedata weroanalyzedbyaFFTanalyzen TheobtainedresultsEhredescribedasfollows.（１）Thereattachment lengthincreaseswiththeexpansionratio，Ｗ２／ＷＬＷｈｅｎｔｈｅｄｉｓｔａｎｃｅＸｉｎｔｈｅｆｌｏｗｄｉｒectionisnormalizedbythewidthofreattachment regionAXh，theforwardflowfractiondistributionsatdifferent expansionratio，Ｗ２／ＷＩ１ｆａｌｌｏｎｏｎｅｃｕｒｖｅｎｅａｒｔｈｅｒeattachment region．（２）Accordingtoanalysisｏfthefrequencyofpressurefluctua‐

tions，thefrequencyoflarge-scalovorticesis/･日／Ｕｏ＝0.7,whereH

isbeightofthestop，／isfrequencyandU0isvelocityoｆｔｈｅｍａｉｎ｢low．（３）ｔｈｅｐｅａｋｏｆｐｏｗｏｒｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｅｖｅｌocityfluctuationsis /､Ｈ／Ｕｏ＝0.3～05. KeyWords：BackwardFacingStep,Separation,Reattachment,Unsteady Structure，FrequencyAnalysis．受付11992年５月11日＊琉球大学工学部機械工学科 Dept,ofMechanicalEng・ｉＦａｃ・ｏｆＥｎｇ． **琉球大学大学院工学研究科樹戒工学専攻 GraduateStudent，MechanicalEng．

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照屋・具志堅・山里・伊良部：はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究

1４側の壁に階段状のステップを有する流れ場を対象とす

る．Fig.１に実験装置の概略図を示す．実験装置は，

テストセクションと枠組みを別織造とした．テストセクションは厚さ10ｍの透明アクリル板製のステップ側壁Ⅲフラット側壁および上下端板から構成されるダクト内のステップ流れにおいて，主流部分，即ち非粘性流れの部分の大きさと大規模渦運動の周期性の強度との関係を明らかにするためステップ壁，フラット壁の間隔をボルトの調整による可変構造としたその際フラット壁を移動し‘ステップ高さは変えないテストセクションの寸法はスパン幅β＝970nm０１ステップ高さﾉﾉ＝60ｍ（アスペクト比β／Ｈ＝16.2)，ステップから上流の入口流路長さは600,,,ステップ下流長さは2000唾である．入□幅は最大500ｍまで広げられる．また，アクリル板にたわみが生じないよう50mmの角パイプではしごを組み，裏面から補強した．入口形状は入口による影響を軽減するためベルマウスを取り付けた．座標系は，流れ方向をＸ軸，スパン方向をZ軸，両方に垂直になるようにステップ上面からＹ軸を設定した．拡大比はＥＲ（EXPANSIONRATIO）と表し，出口流路幅Ｗ２と入口流路幅ＷＩの比Ｗ:／ＷＩで定義される．本研究では1.2,1.33,1.5,1.75,20の拡大比で測定を行った．測定は主にステップ壁側で行った，ステップ壁側に圧力分布測定用の穴をステップ上流では30mm間隔‘Ｘ／Ｈ＝１８以上では60ｍﾛ間隔であけ，サーマルタフト，圧力センサ共用の①30画の穴をステップからＸ／Ｈ＝ 1．緒言流体機器・装憧内の再付着流れ場は非定常性，三次元性を有し，極めて複雑ではあるが．はく離せん断廟の組織的大規模渦の存在が知られている．はく離せん断層の組織的大規模渦が流れに及ぼす影響は大きいがその大規模渦の運動のうち周期性の強い運動に蒲目し，これを励起しⅢ渦運動を統制化することで再付若流れ場の本質的な現象の強化抽出流れ場制御での利用が出来る可能性がある．はく離せん断厨はこれまで様六な基本的形状について研究されている．例えば、前縁はく離の再付若流れでは大規模渦運動の明確な周期性を示すデータが報告されている１１１．また，ダクト内の乱流後方ステップ流れの研究でもあまり明砿ではないが周期性は報告されている値しダクト内の後方ステップ流れでは，主流が消滅あるいはわずかしか存在しないため，大規模渦は対向壁側の渦との相互干渉を起こし，そのためにその周期性が阻害され，捕らえにくいと考えられる．本研究の目的は，はく離・再付着流れにおける大規模渦の周期運動を解明・利用するためにダクト内のステップ流れにおいて，主流部分，すなわち非粘性流れの部分の大きさと大規模渦の運動の周期性の強度との関係を明らかにすることである． 2．実験装置本研究では，後方片側ステップ！つまり流路内の片

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琉球大学工学部紀要第44号，1992年 1５１８まで40mm間隔であけた．実験は、琉球大学大型風洞施設（吹き出し口１ｍ）を用い]その流路内にテストセクションを組み込んで行った．フーリエ変換し,パワスペクトルを求めフロッピーディスクに記録した，サンプリング周波数は1280Ｈｚで一度に400個のデータを約５分間に1024回平均した．測定位置は各拡大比の再付着点付近４ケ所とした． 3．実験方法３３速度変動速度変動の周波数解析にはＩ型熱線プロープを用いた．磯本らぃの論文では，はく離せん断層内の乱流値が再付着距離を決定する上で重要な役割を果たすのは，はく離直後の連行領域（X／Ｈ＝1.25～2.5）であると述べていることからＸ／H=0.5,15,2,5,3.5のステップ下流４断面を計測した．時間平均速度分布と乱れ強さ分布を求め，その結果より０，＋方向に８，１０，１２，１４１１６，２４，－方向に-18ｍ（Ｙ／Ｈ＝0,0.13, 0.17.0.2,0.23,0.27,0.41-0.3）の８点を周波数解析点に選んだ．プローブからの電気信号は，熱線流速計，リニアライザーⅡローパスプィルタを通してＦＦＴアナライザに取り込んで，１回当り400点のデータを高速フーリエ変換して1024回分（約５分間）の平均スペクトルを求め，これをフロッピーディスクに記録した．３．１順流率測定はく離域の流れは定常ではなく,流速や方向は時間ともに変化して非定常の様相を呈している．そこで！流れ方向が近寄り流れと同じ方向の流れを順流，逆の方向の流れを逆流と名づける．順流となっている時間割合を順流率と定義するさらに，再付着領域の壁面近くの流れは非定常であり１時間とともに順流，逆流と変化するので再付･着点もたえず変化している．この場合，壁面近くの流れが順流率50％の位腫を時間平均の再付着点と定義する．本研究ではサーマルタフトプロープ③を用い，順流率γを測定した．サーマルタフトプローブの信号は，約１ｋＨｚでサンプリングし，ハードディスクに記録した後に順流率を求めた．３．２圧力変動圧力センサはサーマルタプトプロープの孔に圧力センサ用のアダプタを取り付けて行う（Fig.２）．圧力変動の信号はアンプで増幅しローバスフィルタで高周波成分をカットする．その後FFTアナライザで高速 4．実験結果および考察新たに製作した実験装置の健全性を見るため，まず

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照屋・具志堅・山里・伊良部：はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究 1６０．６。。０４ 0.2 －０．２ _2０ _3０ 1０ 0 ０－１０Ｘ/ＨＦｉｇ．３Distributiono「wBLll-pressurecoe｢ficients．入口速度分布や壁面圧力分布，二次元性の確認などの予傭実験を行った．壁面圧力分布をＦｉｇ．３に示す．入口付近で圧力係数Ｃｐ艫がいったん上昇しているのは入口のペルマウスで流れが局所的に加速されるためである．その後各拡大比においてＸ／Ｈ＝０まで傾きがほぼ一定である．これは乱流塊界層が十分発達していることを示す．ＥＲ＝1.2とＥＲ＝2.0を比べてみるとＥＲ＝2.0の場合がステップ下流で圧力上昇が大きくなる．これは拡大比が大きい場合，速度エネルギが圧カエネルキに変換される量が大きくなるためであるステップ下流方向でも圧力は緩やかに減少してきている．以上のことから本実験装置は後方ステップ流れ場の実験装麓としてほぼ健全と言える．４．１順流率 Fig.４に順流率分布を示す．順流率が０．５となる位置を，時間平均の再付着点とし，はく離点から再付着点までの距離をXhと表す，拡大比が大きくなるにつれ再付着距離が大きくなっている．これは，はく離せん断屑がはく離してから再付着する過程で，はく離

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Fig.４DistjFibutiono『fOrwardflowfraction．

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琉球大学工学部紀要第44号，1992年 1７１ロ○垣。⑤身閨』房。｛由で肖甸崖肖Ｐ四 0.8 缶 0,6 0.4 0.2 ０

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ＥＲ＝２０

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囚、 -20 －３０ -40 -50 rl L」 10~８ 10~】 10. /,Ｈ/Uｂ 10-Z 10~】１００ ′･〃/UｂＦｉｇ．６PowerspectrumdensityoIpressurefluctuation．せん断層外から流体の流入が必要であり，拡大比が大きくなるにしたがい供給源の主流部分が小さくなり，再付着距離が伸びると思われる．Ｆｉｇ．５はＦｉｇ．４の横軸を再付着領域の幅Ａｘｈで無次元化して，順流率 γの分布を再褐したものである．これをみると拡大比に関係なく再付着点をはさんで±ＡＸｈ／２の領域でほぼ同じ曲線になることが判る．４．２周波数解９１ﾂﾞテ４．２－１圧力変動Ｆｉｇ．６に再付着点付近４点の圧力変動パワスペクトルを示す．/･Hi／ひ｡＝0.2付近に鋭いピークが見られるがこれは拡大比がＥＲ＝2.0の場合が最も高く，ＥＲ＝1.2になると消滅している．このピークの周波数は90Hz前後で，実験装置の気柱の基本振動数（音囚Ｃｕ -20 -30 -40 －５０ ■ ｡Ｕ－６ ■け● ● ｉ１ｉｉ４

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照屋・具志堅・山里・伊良部：はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究 1８主流が占める割合が大きくなるので，せん断層内に主流から供給されるエネルギが大きくなり，ピークの持つエネルギも大きくなっている速をＵ，代表長さをステップ下流長さにとりＬとすると。／＝ｕ／2L）とほぼ一致する．また，中心周波数 /･Ｌｌ／Ｕｏ＝0.7で幅を持ったピークがみられる．これは馬淵(`'らの実験結果とほぼ一致し，佐八木ら㈱により提唱されている再付着領域を通過する大規模渦の周波数に近い値である．よってこのピークは大規模渦の存在を示すものと思われる．ピーク値の高さは，拡大比が小さいほど大きくⅢ拡大比が大きくなるのに伴い変動エネルギのピークパワは弱くなることを示している．これは拡大比が小さいほど流路をせん断層に比ぺ４．２－２遠度変動はく離点下流４断面（Ｘ／Ｘｉ－Ｏ～0.52）におけるせん断層内のＸ方向時間平均速度Ｕ(Ｆｉｇ．７）及び乱れ強さTtL(Fig.８）の分布を示す．速度分布Ⅲ 乱れ強さ分布よりＸ／Ｈ＝0,5から３．５へとせん断層が成長している．ＥＲ＝2.0とＥＲ＝1.2の速度分布を患へ計垣黄「 L｣

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琉球大学工学部紀要第44号，1992年 1９ＥＲ＝２．０ＥＩＲ＝1.5

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/ｕＭﾉｂＦｉｇ．９PoworspectrumdensityoIvolocity「luctuation．きなピークの中心周波数は変わらないまた乱れ強さ分布にも見られるように測定位置での乱れ強さは拡大比によってあまり変化がないしかし拡大比が大きくなるにつれてある程度幅を持ったピークもより顕著になりＥＲ＝2.0のＸ／Ｈ＝0.5ではピークが現れてくる．比べてみると！ＥＲ＝2.0の場合！Ｘ／Ｈ＝Ｏ～０．３付近で主流が消滅してきているのがわかる．これより拡大比が大きいとはく離せん断層と対向壁の境界層が相互干渉を起こしていると思われる．乱れ強さ分布からは，拡大比による差異は見られないこれらの分布より周波数解析の対象としてせん断層外縁付近の計測点を選んだ．速度変動のバワスペクトルを示す．Ｆｉｇ．９はそれぞれＥＲ＝1,5とＥＲ＝2.0の場合である．ノ､Ｈ／い＝ 0.2付近で卓越したピークがあるこれは気柱振動による影響と思われる．しかし，この周波数/もＨ/い＝０２で円柱からの渦放出が知られており，詳細な検討が必要である．各測定断面のX／Ｈ＝1.5～３．５については中心周波数/･日／ひ｡＝0.3～0.5で，ある程度幅をもったピークがあるが，ＥＲ＝1.5の場合，Ｘ／１７＝0.5ではピークがない．ピークの原因は渦のエネルギがそこに集中しているからであり，下流に行くにしたがって’中心周波数が高周波領域から低周波領域へと移動しているこれは，せん断層のエネルギの高周波成分が低周波成分に移ってきていることを示す．また中心周波数のパワは下流にいくに従って大きくなってきている．森ら⑥によるとこれらは，はく離せん断層内の大規模渦が次会と合体を繰り返しながらＩ移動しているためである．次に二つの拡大比を比較すると無次元化周波数/･Ｈ／Ｕｏ＝0.3～0.5の比較的大 5．結論新たに設計・製作した実験装置の健全性を確認し，拡大比による再付着距離への影響及び，拡大比と大規模渦の周期性との関係の解明を試みた．これらより以下の結論を得た．１）拡大比が大きくなると,再付着距離も長くなりⅢ 距離Ｘを再現付着距離ムXiiで無次元化すれば拡大比に関係なく順流率分布は同一曲線になる２）大規模渦に関係すると思われる再付着点付近の壁面圧力変動のバワスペクトルピークは.'．Ｈ／Ｕｂ＝０．７にある．またスペクトルピークは拡大比が小さくなるほど高くなる３）大規模渦に関係すると思われるはく離せん断圏の速度変動のパワスペクトルピークは中心周波数/､Ｈ／Ｕｏ＝0,3～０．５にある．４）中心周波数のパワは下流にいくに従って大きくなり．はく離せん断層内の大規模渦が次★と合体を綴〃Ｈ＝３５二_8１;：ｉＪＶＨ＝2.5 …….；…;…÷…;・

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(9)

2０ _{照屋・具志堅・山里・伊良部；はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究} り返しながら移動していると思われる．また，はく離直後の渦のパワは拡大比が大きくなるに従い顕著になる．今後は，この新しく製作したアスペクト比の大きい実験装邇を用いて，流れ場制御の観点から周期的かく乱を付加した場合の大規模渦の挙動などを探っていきたい終わりに実験装置の設計及び製作にあたり助力を受けた鱈間進一技官，実験に協力して下さった当時大学院生の日下部純二君，また当時卒研生の古吉功明，島袋善和の両君に謝意を表する．参考文献 (1) (2) 佐合木・木谷，機論．49-447,Ｂ(1983)．ＲＯＯＳ，Ｆ､Ｗ､ａｎｄＫＥＧＥＬＭＡＮ,』.Ｔ､,AIAA journaLVoL24,ＤＢＣ､1986,1956-1963. 照屋・山里・伊良部，琉球大学工学部紀要，４０ (1990)，１１．馬淵・村田・熊田，機論，52-479,Ｂ(19861 佐友木・木谷，機論，51-461,Ｂ(19851 森・内田・酒井，機論，52-481,Ｂ(1986)． (3) (4) (5) (6)