成 瞑 大 学 理 工 学 研 究 報 告 J.Fac. Sci.Tech., Seikei Univ. Vol.55 No.2(2018)pp.23-26
小 型 突 風 風 洞 の 製 作 と 性 能 評 価
西尾
悠*1,伊 澤 精一郎*2,福 西 祐*3
Development and Performance Evaluation of Small Gust Wind Tunnel
Yu NISHIO * 1, Seiichiro IZAWA * 2, Yu FUKUNISHI * 3
ABSTRACT : This study develops a gust wind tunnel, which allows us to investigate aerodynamic characteristics of a body under an unsteady flow. First, a simple wind tunnel model with one fan is developed, and its performance is investigated. It is found that the stall of fans is the cause of the insufficient acceleration of the gust. The employment of exhaust ports improves the acceleration. Four simple wind tunnel models are combined to make a multi-fan gust wind tunnel, and its performance is investigated. As a result, it is found that the acceleration of the gust increases by approximately 20 % of the previous wind tunnel. In addition, the freestream disturbance of the proposed gust wind tunnel is drastically reduced.
Keywords : Gust wind tunnel, Experiment apparatus, Unsteady aerodynamics
(Received December 3, 2018) 1.緒 言 自然 界 の 風 は 速 さや 向 き を時 々 刻 々 と変 え る。 突 風 も そ の 例 の 一 つ で あ る。 ドロー ンに 代 表 され る小 型 無 人 飛 翔 体 や 昆 虫 な どは 低 速 で 飛 行 す るた め,大 気 中の 風 の 変 化 の影 響 が旅 客機 な どの 大 型 の 飛 翔 体 よ りも相 対 的 に大 き くな る。 そ の た め 突 風 な どの 突 発 的 な 飛 行 環 境 の 変 化 に 弱 い。 しか し小 型 無 人 飛 翔 体 は 重 大 事 故 時 の 原 子 力 発 電 所 や 活 動 中 の 噴火 口付 近 の観 測 な どへ の 応 用 が 期 待 さ れ て い る とい う背 景 か ら,大 きな 熱 源 の 影 響 で 複 雑 な 対 流 が発 生 す る場 合 な ど,大 ス ケ ー ル で か つ 複 雑 に変 化 す る流 れ の 中 を 飛 行 す る こ とが 要 求 され て い る。 これ は 飛 翔 体 が 非 定 常 に 変 化 す る主 流 中 を飛 行 す る こ と に相 当 し, 小型 無 人 飛 翔 体 に は これ らの 環 境 下 に お い て 高 い 飛 行 安 定性 能 が 必 要 とな る。 した が っ て,こ の よ うな 環 境 下 で の 飛 翔 体 の 空 力 的 な 性 能 の 評 価 が 非 常 に 重 要 とな るが, 一般 に 広 く使 わ れ る一 定 風 速 か つ 一 様 な 流 れ を作 り出 す 風 洞 で は この 環 境 を 再 現 で きな い 。 ま た,数 値 シ ミュ レ ー シ ョ ンに よ る解 析 も考 え られ るが,非 定 常 な 流 れ の 中 *1:シ ス テ ム デ ザ イ ン 学 科 助 教(nishio@st.seikei.acjp) *2:東 北 大 学 工 学 研 究 科 准 教 授 *3:東 北 大 学 工 学 研 究 科 教 授 に あ る物 体 周 りの は く離 を伴 う流 れ の数 値 解 析 は 容 易 で は な く,そ の 信 頼 性 も確 か で は ない 。これ らの 理 由か ら, 飛 翔 体 周 りの流 れ を詳 細 に解 析 す るた め の 空 間 的 時 間 的 に変 動 す る流 れ を 再 現す る新 た な 風洞 の 導 入 が 望 ま しい 。 非 定 常 な流 れ を 引 き 起 こす 風 洞 は過 去 に も使 用 され て き た が,そ れ らの 多 くは 主 と して建 物 や 土 木 建 築 物 に 突 風 が 当 た る 際 の力 を評 価 す る 目的 の もの で あ っ た1)・2)。 例 え ば竹 内 ら3)は,下 流 に翼 列 が 設 置 され た風 洞 を用 い, 翼 列 を 開 閉す る こ とで突 風 環境 を 作製 し,建 物 の 非 定 常 空気 力 の評 価 を行 っ て い る。 ま た 一般 的 な微 小 な 速 度 変 動 を 主流 中 に 導入 す る装 置 で あ る乱流 格 子 で は 作 れ な い よ うな大 規 模 な速 度 変動 を発 生 させ る手 段 と して,小 園 らは99個 の サ ー ボ フ ァ ンを用 い て 非 定 常 か っ 非 一様 な 流 れ を作 りだす マル チ フ ァ ン風 洞 を 作製 した4)。しか し, この種 の風 洞 の風 速 の 変動 幅 は 比較 的 小 さ く,突 風 とは 言 い難 い。 航 空 機 を対 象 と した研 究機 関 で も同様 に 突 風 を再 現 す る風 洞 を作 製 して い る。松 下 ら5)や廣 末 ら6)は2m×2mの 大型 試 験 部 を持 つ 突風 風 洞 を 作製 し,そ の性 能 評価 お よ び 実 際 の運 用 を報 告 して い る。 しか しな が ら風 速 の 変 動 量 は 主流 速 度 の1割 程 度 で あ る点,ま た 周 期 的 な 変 動 を 作 る こ とを 主 目的 と して い る点 か ら非 定 常 主 流 で は あ る が突 風 とは言 い難 い。 一23一
成 践 大 学 理 工 学 研 究 報 告 Vol.55No.2(2018.12) 国 外 に 目を 向 け て も,同 様 に 主 流 を変 動 させ る風 洞 は 存在 す る もの の7)・8),突 発 的 に主 流 速 度 を変 化 させ る こ との で き る風洞 は 数 が 限 られ て い るの が 現 状 で あ る。 そ こで 本研 究 で は,非 定 常 ・非 一 様 な 主 流 に さ ら され た飛 翔 体 の 周 りの 流 れ 場 を 解 析 で き る よ うな 突 風 環 境 を 作 り出せ る風 洞 を 提 案 お よび 製 作 し,そ の 性 能 評 価 と改 善 を 目的 と した。 2.突 風 風 洞 実 験 装 置 の 概 略 本研 究 に お け る突 風 風 洞 とは,低 速 ま た は 無 風 状 態 か ら瞬 時 に 主 流 の 速 度 を 上 げ る こ とが 可 能 な 風 洞 を意 味 す る。 我 々 の研 究 グル ー プ で は 過 去 に シ ャ ッ ター の 開 閉 に よっ て 突 風 を 作製 す る小型 風 洞 の 製 作 を試 み た が9),シ ャ ッタ ー を 閉 め る こ とに よ り送 風 フ ァ ンが 失 速 し,低 速 状 態 か ら高 速 状 態 へ 移 るの に 時 間 が か か っ て しま うこ と が 問題 で あ っ た 。他 の 突 風 風 洞 を見 て も試 験 部 の 上 流 ま た は 下 流 に シ ャ ッタ ー を設 け る機 構 の 風 洞 が 多 く1)・3),同 様 の 問題 が 存 在 して い る と考 え られ る。 そ こで,シ ャ ッ タ ー を 閉 じた 状 態 に お い て フ ァ ンの 失 速 を防 ぐた め に フ ァ ンの 近 くに排 気 口を 設 け た 風 洞 の 製 作 を行 った 。 以 降 で は排 気 口を組 み 込 ん だ 単 一 フ ァ ンの 簡 易 風 洞 モ デ ル を 作製 し,期 待 され る性 能 が 得 られ る こ と を確 認 した 後, 複 数 の 単 一 フ ァ ンの 風 洞 を 組 み 合 わ せ,マ ル チ フ ァ ン型 の 突 風 風 洞 を製 作 し性 能評 価 を 行 っ た 。 3.簡 易 風 洞 モ デ ル の 作 製 とそ の 評 価 図1に 示 す よ うな 単 一 フ ァ ン を有 す る簡 易 風 洞 モ デ ル を 作製 した。 この モ デ ル は 送 風 フ ァ ン と流 れ をせ き止 め るた め の 流 路 内 シ ャ ッタ ー を持 ち,フ ァ ン と流 路 内 シ ャ ッタ ー の 問 に 開 閉 可 能 な排 気 口 を有 す る。 排 気 口の 位 置 と風洞 性 能 との 関係 を 検 証 す るた め に 排 気 口が フ ァ ン と 同 一 面 に 設 け た モ デ ル お よび 風 洞 側 壁 に 設 けた モ デ ル の 2つ を製 作 した 。 突 風 を 発 生 させ る機 構 は 次 の 通 りで あ る。 流 路 内 シ ャ ッタ ー を 閉 じ,排 気 口 を開 い た 状 態 で フ ァ ンに よ り空 気 を 送 り出 す 。 この と き空 気 は 排 気 口か ら 排 出 され,風 洞 下 流 の試 験 部 に は 流 れ な い 。 この 状 態 か ら流 路 内 シ ャ ッタ ー を 短 時 間 の うち に 開 き,同 時 に排 気 口を 閉 じ る こ とに よ り,流 路 を風 洞 下 流 側 へ と切 り替 え る こ とで試 験 部 に 突 風 を発 生 させ る。 試 験 部 に お け る流 速 を1型熱 線 流 速 計 で 計 測 し,風 洞 の 性 能 を評 価 した。 実 験 結 果 の 一 例 を 図2に 示 す 。 横 軸 は 時刻 で あ り,流 路 内 の シ ャ ッタ ー を 開 放 した 瞬 間 を0と 定 義 した。 縦 軸 は 風 洞 出 口に お け る速 度 で あ る。 この よ Shutters 150 Exhaustports Contraction Fan (a)Modelwithexhaustportsintheinletplane Contraction Shutte 15 [mm] Fan mm] (b)Modelwithanexhaustportinthesidewallofthe cha皿el Fig.1Testmodels 4 35 砺 ・3 詣2.5 三2 ]LT,.5 >01 0.5 0 -0.200.2 Time[s] Fig.2Exampleofthevelocityvariationintimeatthetest sectionforwithoutexhaustports う に 流 路 内 の シ ャ ッ タ ー を 開 放 す る こ と に よ り,測 定 部 に お け る 流 速 が 加 速 し,シ ャ ッ タ ー 開 放 前 よ り も 速 い 速 度 で 定 常 と な っ た 。 竹 内 ら2)は 加 速 前 後 の 流 速 差 お よ び 加 速 に か か る 時 間 を 用 い,突 風 風 洞 の 性 能 を 議 論 し て い る。 そ こ で 本 研 究 で は 過 去 の 研 究 に 倣 い,風 速 の 加 速 に 要 す る 時 間 と 突 風 前 後 の 速 度 差 を 用 い て,風 速 の 加 速 度 を 算 出 し 突 風 環 境 の 性 能 評 価 を 行 っ た 。 ま た,参 考 値 と し て 排 気 口 を 開 閉 し な い 実 験 も併 せ て 行 っ た 。 そ れ ら の モ デ ル を 用 い て 行 っ た 実 験 結 果 を 表1に ま と め る。 TablelLocationoftheexhaustportandperformanceofthe apparatus 一24一
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Locationof Acceleration[m/s2]
theports withshutter w/oshutter
Inletplane 17.8 14.9 Sidewall 45.3 24.2 と考 え られ る 。 4.マ ル チ フ ァ ン型 突 風風 洞 の 作 製 とそ の 評価 表1の 通 り,排 気 口 を開 閉 させ る場 合,研 究 当初 の 狙 い 通 り主 流 風 速 の加 速 度 が 高 くな り,排 気 口の 有 効 性 を 確 認 す る こ とが で き た 。 さ らに,排 気 口は フ ァ ン側 に設 け る よ りも風 洞側 面 の 流 路 内 シ ャ ッ ター 付 近 に設 けた 方 が性 能 の 向 上 が 見 込 ま れ る こ とが 明 らか とな っ た 。 しか しな が ら排 気 口を 簡 易 単 一 フ ァ ンモ デ ル の 側 壁 に 設 け る とマ ル チ フ ァ ン型 風 洞 を作 製 す る際 に排 気 口同 士 が 干 渉 す る問題 が あ っ た 。 そ の た め,実 際 の 風 洞 に よ り 近 い 風 洞 モ デ ル と して 図3の よ うに フ ァ ン と流 路 内 シ ャ ッタ ー の 間 に デ ィフ ユー ザ ー 部 を設 け,そ の 側 壁 に排 気 口を 設 け た。 この 改 良 型 単 一 フ ァ ンモ デ ル を用 い て 行 っ た 実 験 の 結 果 を 図4に 示 す 。 この モ デ ル にお け る加 速 度 は 突 風 風洞 の性 能 を 示 す加 速 度 は21.5m/s2と な った 。先 の 簡 易 モ デ ル よ りも加 速 性 能 が 低 い 値 とな って い るの は, 実 際 の 風 洞 モ デ ル に 近 づ け るた め に 流 路 を長 く設 定 した こ とで,駆 動 させ るべ き 作 動 流 体 の 容 積 が 増 えた こ とお よび 流 路 内 に お け る圧 力 損 失 が 増 えた こ とが 原 因 で あ る ■ 一 賦 o 230 露 ■L
ブ
8/
＼ ＼ Fan ExhaustportsShutters (a)Frontview 285 165 Contraction撒
Exhaustport (b)Topview Fig.3Modifiedwindtunnelmodelwithasinglefun 6 5 冨4 言 ・ 毒 ・ 1 0 -O.4-O.200.20.40.60.81 1nme[sec] Fig.4Velocityvariationintimeforthemodifiedwind tunnelmodeI 次 に,こ の 改 良型 簡 易 ユ ニ ッ トモ デル4つ を組 み 合 わ せ る こ とに よ り,マ ル チ フ ァ ン型 突 風 風 洞 を 作 製 した(図 5)。 送 風 の機 構 お よび シ ャ ッ ター 部 は簡 易 ユ ニ ッ トモ デ ル と同一 の構 造 を持 つ が,測 定 部 に お け る速 度 変 動 を低 減 す る た め に整 流 部 と して粗 い金 網1枚,細 かい 金 網2 枚 お よびハ ニ カ ム格 子 を風 洞 流 路 の途 中に 設 けた。 ノズ ル 部 は縮 流 比9と した。 排 気 口の 開 放 ス ペ ー ス を確 保 し 排 気 効 率 を 高 め るた め に,隣 り合 うデ ィ フ ユー ザ ー 部 同 士 は互 い に90Q回 転 させ て組 み 合 わ せ た 。 マル チ フ ァ ン型 の 突風 風 洞 の試 験 部 に お け る速 度応 答 を計 測 した結 果 を 図6に 示 す。 参 考値 と して 改 良 前 の 突 風 風 洞 の 実験 結 果9)も 併 せ て 掲 載 した 。 この 結 果 を図4 ↑H・n・y・・m・↑/ (a)Frontview FanExhaustport (b)Topview Fig.5Developedmulti-funsgustwindtunneI 5 4 軍且 3 言 22 タ 1 0 -0500 .51 Time[s] Fig.6Velocityvariationintimeforthecombinedgust windtunneI ■ :や
一
} 一 一 Presentresult Prevlouswindtunnel I 一 一25一成 践 大 学 理 工 学 研 究 報 告 Vol.55No.2(2018.12) の 簡 易 ユ ニ ッ トモ デ ル に お け る測 定 結 果 と比 較 す る と, 速 度 勾 配 の値 は7.6m/s2と,簡 易 単 一 フ ァ ンモ デ ル の35% に ま で 低 下 した 。 これ は 整 流 部 を加 えた こ と に よ り風 洞 全 体 の 長 さが延 長 され た 結 果 で あ る と考 え られ る。 一 方 で整 流 部 を 設 け た こ とに よ り細 か な 速 度 変 動 が 大 幅 に抑 え られ た。 ま た 従 来 の マ ル チ フ ァ ン型 突 風 風 洞 にお い て 課 題 で あ っ た 風 速 の加 速 度 は お お よそ20%改 善 す る こ と が で き た。 従 来 の 風 洞 で は 高 速 状 態 に な る直 前 にお い て 加 速 度 が 低 下 しな だ らか に 目標 流 速 に 近 づ くの に対 して, 本 研 究 に お け る風 洞 で は,そ の傾 向 が 改 善 され て 加 速 に 要 す る時 間 が 短縮 され た。 6.結 言 本研 究 で は 瞬 時 に 主 流 速 度 を低 速 状 態 か ら高 速 状 態 に す る こ との で き る風 洞 を試 作 しそ の 性 能 を評 価 した 。 ま ず 単 一 フ ァ ンを 持 つ試 作機 を作 製 した 。 フ ァ ンの 失 速 を 防 ぐ 目的 で排 気 口を 設 け る と突 風 の加 速 度 は 改 善 され る こ とが 明 らか とな っ た 。 ま た,こ の 排 気 口は 流 路 を塞 ぐ シ ャ ッタ ー の す ぐ上 流 に 設 置 す る と よ り効 果 が 得 られ る こ とが 分 か っ た 。 以 上 の 知 見 を踏 ま えて,4つ の 単 一 フ ァ ンの 風洞 モ デ ル を 組 み 合 わ せ て マ ル チ フ ァ ン型 の 風 洞 を 作製 し,そ の 主 流 の加 速 性 能 を調 べ た と こ ろ,過 去 の 研 究 で 提案 され た 突 風 風 洞 よ りも20%ほ ど加 速 性 能 が 改 善 され る こ とが 分 か っ た。 ) 4 ) 5 ) 6 ) 7 ) 8 ) 9 小 園 茂 平,宮 城 弘 守,和 田 一 洋 「マ ル チ フ ァ ン の 低 周 波 数 擾 乱 で 駆 動 さ れ る 乱 流(ア ク テ ィ ブ 格 子 法 に よ り 生 成 さ れ る 乱 流 の 特 性)」,日 本 機 械 学 会 論 文 集(B編),Vol.72,No.724,pp.146-153,2006. 松 下 洗,西 村 博 史 「突 風 風 洞 で の 突 風 応 答 予 備 実 験 」,航 空 宇 宙 技 術 研 究 所 報 告,TM-240,pp.1-23,1973 年5H 廣 末 健 一,北 村 清 美,村 上 義 隆,進 藤 重 美 「航 空 宇 宙 技 術 研 究 所 突 風 風 洞 の 計 画 と 整 備 試 験 」,航 空 宇 宙 技 術 研 究 所 報 告,TR-335,pp.1-28,1973年9月 Lancelot,P.M.G.J.,So(lja,J.,Werter,N.P.M.,DeBreuker, R.,"Designandtestingofalowsubsonicwindtu皿el gustgenerator",Proceedingsofthel6thintemational forumonaeroelasticityandstructuraldynamics,IFASD-2015-124,18pages,2015. Thomas,R.E.,"GustSimulationinaWindTunnel", TexasEngineeringExperimentStationTechnicalreport, NASA-CR-66235,80pages,1966. J.PGoit,茂 田 正 哉,伊 澤 精 一 郎,福 西 祐 「突 風 風 洞 の 作 成 」 日 本 機i械 学 会 東 北 支 部 講 演 会,pp.111-112, 2008.
