プラズマアクチュエータによる輸送機器の空力特性改善
—剥離抑制に適した流速領域の検討—
白 岩 寛 之
＊，新 田 真 史
＊＊，前 田 康 貴
＊＊＊，藤 川 俊 秀
＊Improvement of Aerodynamic Characteristics by a Plasma Actuator
Installed in Transportation Equipment
—Consideration of Flow Velocity Region Suitable for Detachment Suppression—
Hiroyuki SHIRAIWA, Masahito NITTA, Koki MAEDA and Toshihide FUJIKAWA
It is known that DBD (Dielectric Barrier Discharge) plasma actuator is a promising technology on active control of the flow separation. Installing the actuator in transportation equipment aids energy saving running. The purpose of this study is revealed that the shape of plasma actuator and the installation site for optimizing aerodynamic characteristics by using a CFD (Computational Fluid Dynamics) analysis and a wind tunnel experiment.
Keywords: Aerodynamic characteristics, Plasma actuator, Transportation equipment, CFD, Experiment
１．緒 言
現代社会では，車や飛行機などの輸送機器が必要不可欠 となっている．これらは空気を押しのけて推進するため抗 力が生じる．近年，抗力低減のため効果的な取り組みとし て，輸送機器の表面形状の変更による空力特性の改善が積 極的に行われているが，形状変更だけでは達成し得なかっ た空力特性の改善に着目し，例えばプラズマアクチュエータ を用いることで達成する取り組みが注目されつつある1)-3)． 具体的には，プラズマアクチュエータは輸送機器形状に関係 なく空気の剥離を抑制できる可能性があるため，空力特性の 制約を受けずに自由に表面形状を変更することができる．し かし，剥離抑制のためのプラズマアクチュエータの最適条件 等についての検討はほとんど行われていないようである4)． 著者らは，輸送機器表面にプラズマアクチュエータを設置 することによる空力特性改善の可能性を検討し，プラズマア クチュエータの有無による剥離抑制に対する最適な形状と 設置位置の検証等を行っている．本研究では，誘電体バリア 放電（DBD）プラズマアクチュエータ1)-7)によって誘起され る気流の流速測定実験および数値流体力学（以下，CFD と 略記）による風洞解析から，最適な流速領域の考察を行う．２．プラズマアクチュエータによって誘起される気
流の流速測定
２．１ プラズマアクチュエータの概要 プラズマアクチュエータ1)とは，誘電体膜を挟んだ複数Fig.1 Dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuator
の電極間に高周波・高電圧の交流を印加すると，上部電極 から下部電極に向けてプラズマが発生し，このプラズマの 力で気流を発生させる装置である．プラズマアクチュエー タに電圧を印加すると周囲に気流が誘起される以外に光， 熱，音，電離および解離反応が発生する．この際のエネル ギー損失は入力波形や誘電体の物性や材質を最適化するこ とにより小さくすることができ，特に誘電率が小さい誘電 体を用いることによりエネルギー損失が小さくなることが 知られている． 気流制御用のプラズマアクチュエータとしては，Fig.1 に 示 す 二 つ の 電 極 と 誘 電 体 か ら な る 誘 電 体 バ リ ア 放 電 （DBD）プラズマアクチュエータやプラズマ発生領域が大 きくなるように改良した三極からなる SD プラズマアクチ ュエータ等が提案されている． 本研究では，非常に単純な構造であり，かつ試作が容易 である誘電体バリア放電（DBD）プラズマアクチュエータ （以下，PA と略記）を用いる． ２．２ 製作したＰＡの形状 Fig.2 には，製作した PA を示す．誘電体の上部電極（気 流 誘 起 側 ）お よ び 下 部 電 極（ 接 地 側 ）に は ，長 さ 70mm， 原稿受付 2017 年 4 月 3 日 ＊ 正会員 都城工業高等専門学校（〒885-8567 宮崎県都城 市吉尾町 473-1） ＊＊ 都城工業高等専門学校専攻科（〒885-8567 宮崎県都城市 吉尾町 473-1） ＊＊＊ 都城工業高等専門学校（〒885-8567 宮崎県都城市吉尾町 473-1） Upper electrode Bottom electrode Induced flow
High voltage AC power supply
Plasma Dielectric layer
あるため，そのままでは熱線流速計による正確な計測が困 難である．そこで，PA から誘起された気流を上面に設置し たアクリル製二次元ノズルを介して出口へと導き，二次元 ノズルにおいて PA から誘起された気流を集約することに より，熱線流速計による正確な計測を可能とした． ２．４ ＰＡから誘起される気流の流速 PA から誘起された気流の流速 v1については，連続の式 Eq.(1)から求めた． 2 1 2 1 v A A v = (1) ここで，A1は銅箔厚さ 30µm×銅箔長さ 70mm で構成され る入口断面積，A2はノズル出口部断面積（W5.2×H2.0mm）， v2は熱線流速計で測定したノズル出口の流速である． ２．５ 実験結果および考察 Fig.8 には，実験における入力電圧に対する PA から誘起 された気流の流速 v1の関係を示す．Fig.8 から，流速が誘 起されるためには一定値以上の入力電圧が必要となり，入 力電圧が 20V を超えると，流速は入力電圧の増加に対し大 きくなり，入力電圧が 75V で最大流速 6.1m/s となる．その 後，入力電圧を上昇させても流速は大きくならない．これ は，プラズマ生成時に発生する熱によって誘電体である PTFT テープが溶け，正常なプラズマ生成ができなくなる ことに起因すると考えられる．
３．ＣＦＤによる風洞解析
本章では，CFD 解析により，輸送機器表面に流速を与え ることによる流れの剥離や乱れによって生じる渦（以下， 剥離渦と略記）の抑制（ひいては空気抵抗低減）効果を検 討し，最適な流速領域を考察する．なお，本 CFD 解析には， 二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare8)を用いた． ３．１ ＣＦＤ解析モデル Fig.9 には，解析対象とした輸送機器の代表例である車両 モデルを示す．車両モデルは下部移動壁から 40mm の高さ に配置し，車両モデルの頭頂部通過後の車両表面（x=1.9m， y=0.7m，PA なしの CFD 解析結果に基づく流れの剥離位置 を参考に決定）の 1 格子に x 方向の流速を与えることによ り PA により誘起される気流を仮定した．なお，本 CFD 解 析に用いた二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare では， 車両表面の局所に個別の流速を与えることはできないため， 後述の Fig.10 に示すように，流入境界と接した車両先端部 付近から上述の車両表面の 1 格子まで車両内部に流路を設 け，流入境界から任意の流速を与えることにより，車両表 面の 1 格子に x 方向の流速を与えた． ３．２ ＣＦＤ解析条件 二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare において，解 析領域寸法を Lx=5m，Ly=2.5m（分割数 Nx=512，Ny=256） として解析を行った．なお，今回の解析では，四次精度中 心差分法および Lax-Wendroff 法を採用した．Table 1 には， 解析条件として与えた境界条件および PA 流速を示す．主[
]
[
]
Fig.7 Input waveform from high voltage AC power supply (LOGY ELECTORIC Co., Ltd., LHV-12AC) to PA
0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 In d uc ed v el o ci ty v1 [m /s ] Input voltage [V]
Fig.8 Relationship between input voltage and induced velocity v1 by PA
Fig.9 Vehicle model (model of transport equipment)
Table 1 Boundary conditions of velocity of x-direction Inlet of analysis area 8.33m/s (Re=1.32×106)
Moving boundary of lower wall 8.33m/s
PA 0, 1.91, 2.43, 2.76, 2.88,
あるため，そのままでは熱線流速計による正確な計測が困 難である．そこで，PA から誘起された気流を上面に設置し たアクリル製二次元ノズルを介して出口へと導き，二次元 ノズルにおいて PA から誘起された気流を集約することに より，熱線流速計による正確な計測を可能とした． ２．４ ＰＡから誘起される気流の流速 PA から誘起された気流の流速 v1については，連続の式 Eq.(1)から求めた． 2 1 2 1 v A A v = (1) ここで，A1は銅箔厚さ 30µm×銅箔長さ 70mm で構成され る入口断面積，A2はノズル出口部断面積（W5.2×H2.0mm）， v2は熱線流速計で測定したノズル出口の流速である． ２．５ 実験結果および考察 Fig.8 には，実験における入力電圧に対する PA から誘起 された気流の流速 v1の関係を示す．Fig.8 から，流速が誘 起されるためには一定値以上の入力電圧が必要となり，入 力電圧が 20V を超えると，流速は入力電圧の増加に対し大 きくなり，入力電圧が 75V で最大流速 6.1m/s となる．その 後，入力電圧を上昇させても流速は大きくならない．これ は，プラズマ生成時に発生する熱によって誘電体である PTFT テープが溶け，正常なプラズマ生成ができなくなる ことに起因すると考えられる．
３．ＣＦＤによる風洞解析
本章では，CFD 解析により，輸送機器表面に流速を与え ることによる流れの剥離や乱れによって生じる渦（以下， 剥離渦と略記）の抑制（ひいては空気抵抗低減）効果を検 討し，最適な流速領域を考察する．なお，本 CFD 解析には， 二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare8)を用いた． ３．１ ＣＦＤ解析モデル Fig.9 には，解析対象とした輸送機器の代表例である車両 モデルを示す．車両モデルは下部移動壁から 40mm の高さ に配置し，車両モデルの頭頂部通過後の車両表面（x=1.9m， y=0.7m，PA なしの CFD 解析結果に基づく流れの剥離位置 を参考に決定）の 1 格子に x 方向の流速を与えることによ り PA により誘起される気流を仮定した．なお，本 CFD 解 析に用いた二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare では， 車両表面の局所に個別の流速を与えることはできないため， 後述の Fig.10 に示すように，流入境界と接した車両先端部 付近から上述の車両表面の 1 格子まで車両内部に流路を設 け，流入境界から任意の流速を与えることにより，車両表 面の 1 格子に x 方向の流速を与えた． ３．２ ＣＦＤ解析条件 二次元 CFD 解析ソフトウェア Flowsquare において，解 析領域寸法を Lx=5m，Ly=2.5m（分割数 Nx=512，Ny=256） として解析を行った．なお，今回の解析では，四次精度中 心差分法および Lax-Wendroff 法を採用した．Table 1 には， 解析条件として与えた境界条件および PA 流速を示す．主[
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Fig.7 Input waveform from high voltage AC power supply (LOGY ELECTORIC Co., Ltd., LHV-12AC) to PA
0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 In d uc ed v el o ci ty v1 [m /s ] Input voltage [V]
Fig.8 Relationship between input voltage and induced velocity v1 by PA
Fig.9 Vehicle model (model of transport equipment)
Table 1 Boundary conditions of velocity of x-direction Inlet of analysis area 8.33m/s (Re=1.32×106)
Moving boundary of lower wall 8.33m/s
PA 0, 1.91, 2.43, 2.76, 2.88,
てある程度の剥離抑制効果が得られるものと考えられる． なお，PA の性能改善や剥離抑制のために必要な表面流出面 積の検討等の今後の課題も存在する．
４．結 言
本研究では，オゾン発生器用高圧交流電源と PTFE テー プを誘電体とした PA により誘起された気流の流速を二次 元ノズルの出口流速を基に求めた．また，CFD 解析から車 両モデル近傍の渦度を求め，PA による剥離渦の抑制効果を 定量的に検討し，PA によって車両表面に与える最適な流 速領域を考察した．その結果，本研究範囲において以下の 結論を得た． (1)実験において，入力電圧が大きくなるに伴い，PA から 誘起される気流の流速は大きくなる．しかし，気流を 誘起するためには一定値以上の入力電圧が必要となる． (2)CFD 解析において， PA 流速が大きくなるに伴い，渦 度は小さくできる可能性が示され，流速が一定値を超 えると渦度は急激に小さくなり，最適な流速領域の目 安になるものと考えられる． 今後，本研究結果に基づいて風洞可視化実験を行い，PA によって誘起される気流が車両モデル周りの流れに及ぼす 影響を検討し，PA の有無による剥離抑制に対する最適な形 状と設置位置の検証等を行う予定である．謝 辞
本研究は（公財）JKA 平成 28 年度機械工業振興補助事 業（競輪 28-128）により実施した．ここに記して深く感謝 の意を表す．参 考 文 献
1) Fukagawa, K., Yamada, S. and Ishikawa, H.: Plasma actuators: Fundamentals and research trends (in Japanese), J. Nagare, 29
(2010), 243–250.
2) Itakura, Y. and Hirano, Y.: Efficiency evaluation of plasma actuator using a low-price high voltage power supply for ozonizer (in Japanese), Proc. 44th Fluid Dynamics Conference/Aerospace Numerical Simulation Symposium 2012 (2012), 67–72.
3) Kusumoto, M., Yokoyama, H., Angland, D. and Iida, A.: Control of aerodynamic noise from cascade of flat plates by plasma actuators (in Japanese), Trans. JSME, 83-847 (2017), 1–16.
4) Tanaka, M., Hayashi, K., Otomo, F., Matsuda, H., Noda, E., Yasui, H., Shimura, N., Niizeki, Y. and Noda, S.: Separation control for wing surface flow using dielectric-barrier discharge (in Japanese),
Trans. IEEJ A, 128-4 (2008), 235–241.
5) Nishida, H., Shimizu, K., Abe, T. and Ogata, S.: Working mechanism and basic characteristics of DBD plasma actuators (in Japanese), J. Plasma Fusion Res., 91-10 (2015), 651–656.
6) Segawa, T., Ogata, S. and Takekawa, S.: Effect of input voltage waveform on flow induced by DBD plasma actuator (in Japanese), J. Nagare, 29 (2010), 251–258.
7) Ogata, S., Ikoshi, Y. and Segawa, T.: Control of the jet induced by the plasma actuators (Effect of the applied voltage characteristics on the jet direction) (in Japanese), Trans. JSME B, 77-775 (2011),
672–679.
8) Minamoto, Y.: Flowsquare 4.0: Theory and Computation, (2013): http://flowsquare.com
てある程度の剥離抑制効果が得られるものと考えられる． なお，PA の性能改善や剥離抑制のために必要な表面流出面 積の検討等の今後の課題も存在する．
４．結 言
本研究では，オゾン発生器用高圧交流電源と PTFE テー プを誘電体とした PA により誘起された気流の流速を二次 元ノズルの出口流速を基に求めた．また，CFD 解析から車 両モデル近傍の渦度を求め，PA による剥離渦の抑制効果を 定量的に検討し，PA によって車両表面に与える最適な流 速領域を考察した．その結果，本研究範囲において以下の 結論を得た． (1)実験において，入力電圧が大きくなるに伴い，PA から 誘起される気流の流速は大きくなる．しかし，気流を 誘起するためには一定値以上の入力電圧が必要となる． (2)CFD 解析において， PA 流速が大きくなるに伴い，渦 度は小さくできる可能性が示され，流速が一定値を超 えると渦度は急激に小さくなり，最適な流速領域の目 安になるものと考えられる． 今後，本研究結果に基づいて風洞可視化実験を行い，PA によって誘起される気流が車両モデル周りの流れに及ぼす 影響を検討し，PA の有無による剥離抑制に対する最適な形 状と設置位置の検証等を行う予定である．謝 辞
本研究は（公財）JKA 平成 28 年度機械工業振興補助事 業（競輪 28-128）により実施した．ここに記して深く感謝 の意を表す．参 考 文 献
1) Fukagawa, K., Yamada, S. and Ishikawa, H.: Plasma actuators: Fundamentals and research trends (in Japanese), J. Nagare, 29
(2010), 243–250.
2) Itakura, Y. and Hirano, Y.: Efficiency evaluation of plasma actuator using a low-price high voltage power supply for ozonizer (in Japanese), Proc. 44th Fluid Dynamics Conference/Aerospace Numerical Simulation Symposium 2012 (2012), 67–72.
3) Kusumoto, M., Yokoyama, H., Angland, D. and Iida, A.: Control of aerodynamic noise from cascade of flat plates by plasma actuators (in Japanese), Trans. JSME, 83-847 (2017), 1–16.
4) Tanaka, M., Hayashi, K., Otomo, F., Matsuda, H., Noda, E., Yasui, H., Shimura, N., Niizeki, Y. and Noda, S.: Separation control for wing surface flow using dielectric-barrier discharge (in Japanese),
Trans. IEEJ A, 128-4 (2008), 235–241.
5) Nishida, H., Shimizu, K., Abe, T. and Ogata, S.: Working mechanism and basic characteristics of DBD plasma actuators (in Japanese), J. Plasma Fusion Res., 91-10 (2015), 651–656.
6) Segawa, T., Ogata, S. and Takekawa, S.: Effect of input voltage waveform on flow induced by DBD plasma actuator (in Japanese), J. Nagare, 29 (2010), 251–258.
7) Ogata, S., Ikoshi, Y. and Segawa, T.: Control of the jet induced by the plasma actuators (Effect of the applied voltage characteristics on the jet direction) (in Japanese), Trans. JSME B, 77-775 (2011),
672–679.
8) Minamoto, Y.: Flowsquare 4.0: Theory and Computation, (2013): http://flowsquare.com
