翼型のキャビテーション特性 第2報:前縁近くから圧力水を噴出させたとき: University of the Ryukyus Repository

Title

翼型のキャビテーション特性 第2報:前縁近くから圧力水

_{を噴出させたとき}

Author(s)

真栄田, 義才

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(3): 37-51

Issue Date

1970-06

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/23947

37

翼型のキャビテーション特性

子

第

2

朝 :前縁 近 くか ら圧 力水

を噴 出 させ た とき

真 栄 田 義 才 *

Cavitation Characteristics for Hydrofoil

Sections oflnfinite AspectRatio

(2nd Report)

Gisai M AEDA

This is the secondreportconcernlng With the characteristics ofhydro-foils on

cavitation

･

OnthefirstFnper,Ireportedhow cavitationchangesthecharacteristics,

suchasliftanddrag,ofhydro-foilsfrom non-Cavitation･

In this paper,Iwil】discribe how pressuredistribution changes,when pressure

waterissuesfrom uppersurfaceoffoil tomainflow aroundit･ Thepressurewateris

ledfrmltanktomainholeinthefoil,andthemainholeisconnectedtoseveralsmall

holesonthesurfaceoffoil.

Atnon-cavitation range,experimentalresults show thatpressure on the upper

surfaceolfoilsomewhatincreases,wherLPressureWaterissuesoutofsurfaceoffoiL

Therefore,liftoHoildecreases,butdragdoesnotchangeasever･Ontheotherhand,

whencavitationoccursandex･tendsconsiderablyomsurfaceofthefoil,thepressure

waterdecreasespressureon thefoiL BuH he liftdoesnotincreasecomparedwith

noneissuedwater,andyet,thedragIncreasesfairly･ Besides,cavitationincept10n

point(thevalueofcavitationcoefficientKd)isthesameasM leissuedwaterl

1

. まえが き H 第1報で巽の型状 によるキ ャビテー シ ョン発生時 の一般的 な特性 の違 いを報告 したが,今回 は,巽の前縁近 くの背面 に数個の孔 をあけ, こ ゝか ら庄 力水 を吹 き出 させ たばあい,巽 背面上 の圧 力分布は ど うなるか, これ によって キ ャビテー シ ョン発生時 における巣の揚 力や抗 力は ど う変化す るかにつ いて調べ た｡ 翼面 における境 界層 を制御 す る目的で,背面 に吸込 を設 けての試験 は空気 を用 いて かな り行 ゎれて お り, それによれば,揚 力の最大値 の増大及 び抗 力の減少 の効果 をもた ら して い る

0

2

'

一方,巽背面 か ら庄 力水 を吸 出 させて キ ャビテー シ ョンを防止 しよ うとい う試みは松本等 の 報告 があ り,

3

)それによると庄 力水 の導入 によってキ ャビテー シ ョンの初生 は遅 れ,又,揚 九 抗力は共 に減少 してい る｡更 に, キ ャビテー シ ョンが著 しく成 長 した段 階で,巽下面 の高圧 水 を背面の低圧部へ 導入 す ると, キ ャビテー シ ョンはほ とん ど消 えた と報告 して いる｡ 本試験で は,庄 力水 を管路の外側 か ら導入 して試験 したが,導入水 量 が小 さい こと,及 び吹 き出 し孔 が前方に寄 り過 ぎていた きらいが あって,防止 と しての効果 はほ とん ど得 られ なかっ た｡ こ ･では主 と して,庄 力水 の導入 によって巽背面 の圧 力分布 が ど う変化 す るかにつ いて報 告す る｡

十

受付1969年10月31日 書 琉 球大学理 工学部機械 工学科

38

2.

試験装置及び方法

実栄 田 :貿型のキャ ビテー シ ョン特性

Fig･1Observationpartoftestingequlpment

試験装置の全体的 なものにつ いては,前報で詳細 に述べてあるので こ ､では省略する｡巽型 観測部 は新 しく作 り変 えてあり,前報で用 いられたもの と, その寸法 が幾分異 るので図

1

にそ の概略 を示 してお く｡前の装置 に較べて,壁面の影響 を少 くす る意味で上下壁面間隔 を

1

1

0

7m から160叫 こ拡 げたのが特徴 である｡ また, これによって.巽の受 ける真の揚力と本装置の上 下壁面 における圧 力分布測定 から得 られる揚 力の此1は,前のばあい, 0,988で あったが,令 回の装置では0,960と蔑分劣 る｡

]

≡

二 水道 より

Fig･2 EquipmentofpressureWaterSupply

圧 力水の吹出 し装置 を図

2

に示す｡内径

1

4

7Mの塩化 ビニールパ イプで巽 に設 けられた径

6

7m

の庄 力水導入孔 と庄 力水 タンクを連結 している｡ タンクへの給水 は水道より直接行 う｡吹出流 量の測定 は,塩化 ビニール管の途 中に設 けたオリフィスにて行 った｡ オ リフィスは自家製で, あらか じめ水 を用 いて検定 してある｡吹出 し流量の調節 は,管の途 中に設 けたバルブにて行 っ た｡

琉球大学理工学部紀要 (工学者) 39 t Z

-9

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誉

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斑3

は試験 に供 した巽で ある｡業の前部 には,直径

6

-の庄 力水導入孔が真備の方向 に設 け てあ り,前縁 よ り37Pの男背面上か らあけた径27Rの6個の孔が共 に庄 力水導入孔に連絡 し, 庄 力水 を吹出すよ うになっている｡ なお, これ ら

6

個の孔はすべて10-の等間隔で配置 してい るo また,巽背面上の圧 力分布 を調べ るため,背面 には直径0.4JbLの孔が果弦 に沿 って9個設 けてあ り, これは巽の側面 よりあけちれた各孔 を通 して測定管路の外側へ導かれ, それf-れ水 銀マノメータへ接続 される｡ 試験 に際 しては,あらか じめ観測部で ピ トー管 を挿入 して速度分布 を調べ,充分整流 されて いること.を確 かめ,かつ,流 れの方向の圧 力変化がマサツ損失 を除 いては殆ん どないことを確 かめた後,供試巽 を取付 けた｡ 測定は,先ずキャビテーションの未発生時 において,供試某の一般性能 を調べ,キャビテー ション発生時 における揚 力,抗力の変化 を前 と同 じ方法で調べた後,図3に示す庄 力水吹出孔 を設けた｡吹出孔は,最初径

1

叫 こしていたが,吹出 し流量が きわめて少いため

2

-の大 きさ に拡げた｡ この吹出孔の存在によって,巽の性能,特 に初生のキャビテーシ ョン係数が影響 を 受けか lことを確 かめた後,庄 力水の吹出 し試験 を行 った｡ 以下 に試験の結果 を示す｡

40 t ! U ] u a ! U ! J J a O U ︰ 莞 1 其栄田 :業型 のキャ ビテー シ ョン特性 3･吹 出 しがない ばあいの供試買 の特性 図4は供試買の キ ャビテー シ ョン末 発生時 における性能 を, また,図5,図6はキ ャビテー シ ョン発生時 における揚 力及 び抗 力の変化 の様子 を示す. キ ャビテー シ ョン発生時 における揚 力係数Ca及 び抗 力係数Cwは,前報で報告 した巽 と殆 ん ど似 た よ うを変化 を示 して いるo

1

1 1 1 0

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u a ! 3 叩 J J 2 0 U S t 2 占 0 8 6 4 2 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 oA 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.0

Cavitationcoefficient

Kd

Fig･5 Relationbetweenliftandcavitationcoefficient

8 6 4 2 t 1 1 ■･-▲ 0 8 6 1 0 0

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) Ju U t u a !3 ! J J a

O

U 評 JG 4 2 0 8 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0.4 0.8 1

.

2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.6 4.O Cavitationcoefficient

Kd

Fig･6 Relationbetweendragandcavitationcoefficient

をお,流速の変化 即

Re

数の差 異 によって巽の性能 はキ ャビテー シ ョンの発生時及 び,末発 生時 において,殆ん ど変 らないことを示 したが, しか しキ ャビテー シ ョンの発生時 においては 幾分 かのバ ラソキがみ られたので, その影響 を取 り除 くため,本試験 においては流速 を一定 に 保 ち, タンクの圧 力を変 えることによってキ ャビテー シ ョン係数 を変化せ しめた｡図

4, 5

, 6はいず れも流速7m/See,において試験 した結果で ある｡図5の破線 はキ ャビテー シ ョンの 初生点 を結んだ もので ある｡ 4.圧 力水の吹出による翼面の圧 力変化 以下 は圧 力水の吹出 し試験の結果で あるが, この試騒 はOo, 40, 80,160の4種 の迎角 に

つ いて行 い,流速 はOo及び40のばあいは7m /See,80及 び160では5m/Sec･で ある｡巽の

近 くを流れ る流体 が巽 によって運動量の変化 を受 ける質量 は,単位時 間当 りにつ いてPVFに 比例 す るo

4

'こ ､で

,P

は流体の密度,Vは一様流の速度,Fは巽面積 で あるO一方,吹出 しの 流量 が同 じで あっても流速 が変 われば, その効果 は変 わる｡ よって,吹 出 し流量 は単位時 間当 りの炊出 しの質量流量 と上記の運動量 変化 を受 ける単位時間当 りの質量 に比例す るPVFの比 をとり,次の よ うに比較吹出流量 を定義す る｡ q -入 -_ヱ_隻_= -βVF VF こ ､で,人は比較吹 ItJ.屋, 叫 ま吹 出の体積流量で ある｡ 本試験では帆 び90cmソsecの2種 につ いて行 った｡ よって,比較吹 出量 は,巽面積 Fカ ら, 00,40の迎角 に対 しては, 41

42 共栄田 :賞型のキャビテーション特性 入1-1 濃 訂 -0･952×103 1っ-頂 濃 訂 -21142×103 また

, 8

o

,1

6

oの迎 角 に対 しては, 人3-1 濃 訂 -1･33×103 人4- -憲 ‰ -3･00×10 3 とな る｡ なお, 6個 の吹 出孔 か ら出 る流 量 は, それぞ れは ･ヾ同量 が出 るこ とは, あ らか じめ実 測 して確 かめた｡ 図7-17は巽 背面 の圧 力分 布で あ る｡横 軸 は翼弦 に沿 う前縁 か らの距 離 を弦長 に対す る比で 示 して あ る｡ また, 縦 軸 は巽面上 の圧 力

P

と一様 流 の圧 力

P

｡の差 を動圧 に対す る比で示 して ある. なお, 同図 に記入 して あ るキ ャ ビテ - シ ョン係 数

Kd

は

,

Kd-(

P｡IP,

)

/

÷p

V2で定 義 され る係 数 で,こ ､で R は その水 の温度 に相 当す る蒸気圧 で あ る.図7- 9は迎 角 0度 のば あ いで あ るが,図 7は キ ャビテー シ ョンの未 発生時 , 図 8は初 生時 ,図 9はキ ャビテー シ ョンが か な り成 長 したば あいで あ る｡図7において,吹 出位置 直後 の圧 力が吹 出量 の増加 につ れて幾 舵 岬 -! 3 U l a

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3 2 n S S a J d 4 6 0 0 00 0 0 1

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1

0

琉球大学理工学部紀要 (工学蒼)

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0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 43 張 ･ -! 3 u

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0.1 0.2Lengt0.hmeasur3 0.edf4 rom l0.5eadingedge0.6

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A

7 0.8 0.9

Fig.9 Pressuredistributions(Developedcavitation)

Angleofattack

Oo

44 _{其栄田 .'巽型のキャビテーション特性} 分増 大 して いる. しか し,巽背面後半 においては吹 出の影響 はほ とん ど現 れていか -｡図8の 初生時 における圧 力分布 は,吹 出点直後 において も全 く変化 がみ られず,巽背融全体 にわたっ て吹 出の影響 は現 れて いか ､｡ キ ャビテー シ ョンが発達 す ると,図

9

にみ るよ うに吹 出位置直 後 における圧 力が, キ ャビテー シ ョン末発生時 とは逆 の関係 にな り,吹 出蛍 を増 す につ れて圧 力が下 る傾向 にある｡ しかもこの ばあい には巽 の後縁近 くまで吹 出の影響 が現 われて い るよ う で ある｡ 図10-13は40の迎角 に対す る圧 力分布 曲線 で ある｡図10はキ ャビテー シ ョンの未 発生時 に おけ るもので あるが

,

0度 の ときと同 じく,吹 出量 の増加に伴 い巽背面の圧 力は上昇す るo L か も, その増加量 はOo の ばあいよ り大 きく,約2倍 になってい るが, 増加 率 を考 えれば大体 同 じで ある｡ この ばあい も,翼面後 半 においてはほ とん ど影響 は消 える｡図 11は初生時 におけ る圧 力分布で巽面前半 において幾 分 かのバ ラツキは あるが,吹出量 による差 異 は ない とみてよ いO図12,13はキ ャビテー シ ョンの発生時 で あるが,図12はキ ャビテー シ ョンが巽背面の約50 % まで成 長 した とき,図13は鄭 表縁 まで成長 して きた と きで ある｡ いず れ も未 発生時 のばあい とは逆 に吹 出量 の増加 に伴 い圧 力は降 下 す る｡ そ して, キ ャビテー シ ョンが発達 す るにつ れて 吹 出の影響 が巽後縁付近 まで現 れ ることが, は っ きり示 されて い る｡

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X

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且

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 辛 0 00 2 6 = ‖H 一t l G I! 3 ! J J a O U 巴 n S S a J d

Fig･10 Pressuredistridution(Non-Cavitation)

AnRleofattack 40

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

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Fig･ll Pressuredistributions(Ⅰnceptionofcavitation)

Angleofattack 40

CavitationcoefficientKd-1.90

0.1

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0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig･12 Pressuredistributions(Developedcavitation)

Angleofattack4

0

0.1 苗 膳 ,L a t毒 . 3 a Jn -d 2 4 人U o 6 0 共栄 田 :賞型のキャ ビテー シ ョン特性

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X

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A

o.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig･13 Pressuredistributions(Developedcavitation)

Angleofattack40

CavitationcoefficientKd-1.02

図14-16は 80の迎角 に対す る圧 力分布で ある｡ 図14はキャビテー ションの末発生時である

が

,00,4

0の ときと同 じよ うな傾向 を示 し,庄 力水の吹出によって巽背面の圧 力は上昇す る｡

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o.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 8 0 8 ^ d X ｡ d I d ) t l a ! U ! J i a O U a J n S S a J d 2 6 日H =

Fig･14 Pressuredistributions(Non-Cavitotion)

Angleofattack 8

0

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

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A

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 47 4 月U 2 0 0 1 悲 -1u a ! 毒 0 0 a J n S S a J d 6 8 0 o 3 tl a ! 3 ! J J a O U a l n S; S 巴 d

Fig･15 Pressuredistributions(Inceptiomofcavitation)

Angleofattack80

Cavitationcoefficient

Kd

-2.6

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∬

〟

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

Fig.16 Pressuredistributions(Developedcavitation)

48 真栄田 :男型のキャビテーション特性 しか も

,0

'

J, 4Cで は後縁近 くで は吹 出 によ る変化 は現 れ なかったが, この ば あいには, ほと ん ど巽 全困 こわた って圧 力 が｣二昇 して い る｡図

1

5

は初 生時 で あるが, キ ャビテー シ ョンの裾 i:. 位置 で あ る前縁 近 くで は,圧 力の差 異 は ほ とん どみ られ ない｡

E

3

T

(

11

6

は キ ャビテー シ ョンが約

5

0

%程成 長 した と きの圧 力分布で あ るが,吹 出の影響 が巽融 全体 に著 しく現 れて い る. 以 ｣･_の翼 背面圧 力分 布 よ V),吹 出 の影響 は迎 角 を増 す につ れて 人 きくを る｡ キ ャビテー シ ョ ンの末 発生:.時 においては,庄 力水 を吹 出す こ とによ って

襲

背面 の圧 力は

f

･

.

付し,迎 角 が小 さい と きは,吹 汁.,L:i.直後 の圧 力 が上昇す るのみ で あ るが,迎 角 を増 す と後縁 近 くまで

-･

桜 に圧 力の J･_5ほ み るよ うに なる｡ この糸.1課 は, 当然 巽 の陽 力 を減 少せ しめ るこ とが (,想 され る｡-一方 , 初生時 にお け る圧 力分 布 よ り,特 にキ ャ ビテー シ ョンの初 Jiil立置 で あ る映れ ∴･-.直 後の圧 力は, 吹 出丑 に関係 な くは ゝ､､-･致 して い るこ とか ら,圧 力 水 を吹 出 して も,初狛 まは とん と同一一の キ ャビテ ー シ ョン係 数 で起 る ことに 在 る｡ キ ャビテー シ ョンが発通 した段階 で は,

吹

lf=二よって 翼背面 の圧 力は降 下 し, その効 果 は キ ャ ビテ ー シ ョンが発達 す る程 著 しく, かつ,翼

詣

1

6日'全体 に現 われ る｡ なお, 図

1

7

は迎 角

1

6

0にお け るキ ャ ビテー シ ョン未 発生時 の圧 力分布で あ るが, この は あいの吹 出 によ る圧 力｣二狛 ま,吹 出孔直後 において きわめて大 きい｡I,,2-0.4付近 か ら 卜流 で は,圧 力の回復 が殆 ん どみ られず, この付近 で流 れが柴山 か らはがれ るこ とをf]',-す もの で あ るが, このExlよ り剥 離 は吹 出量 に無 関係 で , ほ

､

ヾ

同

-一の地 点で起 き, かつ その 卜流 に お け る圧 力 は吹 出 に無 関係 で, 殆 ん ど等 しくなって い るO

Lengthmeasuredfrom leadingedge X/A

0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0,8 0.9

Fig

･1

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Pressuredistributions(Non-Cavitation)

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n gleofattack16c cavitationcoefficientKJ-8.7

韓

1

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a

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d QU 6 0 1 4 2 2 3

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

5.

吹 出による揚 力,抗 力の変 化 巽背血の圧 力は,吹 出 によ りキ ャビテー シ ョンの末発生領域 で は一般 に上昇 し, キ ャビテー シ ョンが発達 す ると逆 に降下す ることが明 らかになったが, この ことは巽の揚 力や,抗 力 にも 大 きな影響 を及ぼす もの と思 われ る｡図18は迎角 80,及び160の ばあいの キ ャビテー シ ョン係 数Kdに対 す る揚 力係 数

C

oの変化 を示す. キ ャ ビテー シ ョンの未 発生頒城 で は,揚 力は低下 し, 0 00 6 4 2 0 分 U 6 4 2 9 ︼ l 1 1 1 1 0 nu o o t ZU 一 u a t 3 ! Jl a O 3 a J

コ

49 3.0 5.0 7.0 9.0 Cavitationcoefficient Kd

Fig.18 Influenceofpressurewatersupply

かつ一一般流の圧 力 に関係 な く殆ん ど同量 の揚 力低下 がみ られ る｡ この揚 力低下 は巽背面圧 力分_-3 布 か らも,当然予想 された ことで あ る｡ しか し,吹 出量 が か ､と きと, 入3-1･33×10 の ばあ いを較べ ると揚 力低下 は大 きいが, 入3と入4-3･0×10-3n間 には殆 ん ど揚 力差 は現 れて いか 一〇 従 って,揚 力低下 は吹 出量 に比例 す るもので は な く,吹 出量の増加 に伴 う降下 率 は次 第 に小 さ くなるもの と思 われ る｡初生時 には吹 出量の影響 は を くな り,揚 力は各吹 出量 とも一致す る0 80の ときは幾分 かのバ ラツキがみ られ ,吹 出 によって多少降下 しているよ うで あるが,160で は殆ん ど一･致 してい る｡ キ ャビテー シ ョンが発達 した段 階では,吹 出 による揚 力の差 は顕著で ない｡なお160で キ ャビテー シ ョンが著 しく発達 した段階 で は, マ ノメー タの都合上測定 し得 な かった｡

50 共栄田 :巽型のキャビテーション特性 図19は迎角 80における抗 力係数の変化 を示 した もので ある｡吹出の影響は揚 力係数 に現 われ て い るの とは逆で, キ ャビテー シ ョンの末 発生領域 で は,吹 出 による差 異 は な く, キャビテー シ`ヨンが発生す ると, その影響 が現 われ,吹 出量 を増す につ れて抗 力 を増 している｡ キ ャビテー シ ョン領域 における巽背面圧 力が,吹 出 によって降 下す ることか ら揚 力は増す も の と予 想 されたが,測定 の結 果 は吹 出の か ､ときと大体 同 じ大 きさで あるO本試験 においては, 巽下面 の圧 力分 布は画定 していないので,下面 の圧 力が背面 における吹 出 によって, ど う変 る かは不 明で ある｡ しか し背面 の圧 力が下 って も揚 力が増 して いか ゝ事実 か ら,下面 の圧 力 も低 下す るもの と思 われ る｡ 即 ,吹 出 によって背面 の抵 抗 が増 し,従 って下面 において は速度 を 増 し,圧 力が下 る｡背面で は速度 が落 ちるか ら, キ ャビテー シ ョンの末発生領域 で は圧 力を増 す が, キ ャビテー シ ョン領域 で は吹 出 がむ しろキ ャビテー シ ョンを助長す るよ うな形 とな り, 背面 における圧 力の回復 を妨 げるもの と思 われ る｡ 16 t4 12 10 08 06 0 o O O O O

JVL

U

T u a ! D ! J J a

0

3 欝 占 1.0 3.0 5.0 7.0 9.0

CavitationcoefficientKd

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 6.あ とが き 1. キ ャビテー シ ョンの末 発生領域 で は,庄 力水 の吹 出 によって背面 の圧 力 は増 す が, キ ャ ビテー シ ョン領域 で は逆 に降 下 す る｡初 生時 において は,吹 出 によ る背面圧 力の違 い は殆 ん ど な くな り,従 って,初 生 はほ ､√同 一 の キ ャビテー シ ョン係 数 で起 る｡ 2.迎角 が小 さい と きは,吹 出の影響 は吹 出位置 直後 にのみ現 れ るが,迎 角 を増 す と巽背面 全体 に現 れ る｡ また, キ ャビテー シ ョン発生時 の方 が末 発生時 よ りも吹 出 の影響 を大 き く受 汁 る｡ 3.吹 出 によって,末 発 生錦城 で は揚 力 が降 下 し.抗 力 は殆 ん ど変化 が見 られ ない｡ 一一･万 , キ ャビテー シ ョン領域 で は揚 力の差 は な くな り,抗 力は吹 出 によって か な り増 して い る0 本 試験 において は,吹 出 によ るキ ャビテー シ ョン防止 の効 果 は得 られ なかったが,末 発生領 域 において圧 力が増 す こ とを考 える と,吹 出孔 の方 向 (本 試験 で は翼面 に直 角) を変 えるか, または その位置 を変 える こ とによ って, あ る程度 防 止 と しての効果 が期待 で きる｡ 参 考 文 献 1)東栄Hl弟 才 :発刊のキャビテーション相 生揃 1報),琉球大学理工学部紀要工学第g･,11号,P.1(1968) 2)H.SchIIChling,Bellndary LayerTheory,Mcgraw -Him.P.266-284 (1960)

3)松本容吉,他3Y.:空所荒土防止に関する研究 (?,4報),E]本機械学会誌41巻255号 (1938)

4)神元

i

川S:

水力,'i'.･ロ,共立 出版P.321 (1964)