周辺噴流型エアクッションの浮揚動力特性の研究

DCe 536．9

周辺噴流型エアクッションの浮揚動力特性の研究

道 満 理 正＊ 三 森 太 郎＊ 安 富 善三郎＊＊

（昭和58年4月30日受理）

The study on the characteristics of Hovering Power for Air Cushion Technology of a Peripheral Jet．

Masatada DdMAN Tar6 MiTuMoRi Zensabur6 YAsuToMi

（Received April 30， 1983）

 In the field of A．C． （Air Cushion） technology， the non−dimensional power coefficient， Cp， is rnade rapidly high with h／t small， where h is the ground he ight and t is the jet thickness， and the theoretical predictions of Cp based en four familiar theories are different． T［herefor， it is necessary to exmine the characteristics of the hovering power by the detaileb experiments， in order to find out the optimm Cp； to find out the height ratio， h／t at which Cp becomes minimum． we， hence， conducted the exper血ents with the two・d血ensional model in the range of h／亡≦g3 and the results are summarized as folloes；

 （a） The optimum value of h／t was 1．1 vl．5， so h／t 〈 i， which is used in practical A，C．， must de converted．

 （b） Jet setting angle was reduced from 900 to 450， then the optimum Cp was improved from adout O．7 to O．5．

 （c） Because of Cp〈1， hovering power is smaller than the power of ideal p1entun chamder type A．C．， （Pt＝＝Pc），

   so， in this range of Cp， the peripheral Jet type A．C． is superior．

 （d） Optimum power performance was given at the cushion pressure coefficient， O．8， and mass flow coefficient，

   O．65．

1．ま え が き

 周辺噴流型エアクッション（Air Cushion，以下A Gと 略す）技術は，ゼットカーテンにより圧力室を形成し，そ れにより，地面に非接触で浮揚し，また荷重が全底面に分 布する特性を生かして，ホバークラフト，空気浮揚車，

GETOL機等の陸海空の乗物や，．パレット，コンベア，

プーリー等の機械要素に広く応用されている1）・2）。

 また，非接触型の張力計，隙間ゲージのようなセンサー としての使用3），管路流れを直接ゼットカーテンで制御す る流体制御4）への応用等の用途がなされつつある。このよ うに用途が広いのでAC装置設計の視点は目的によって異 ってくるが，基本的に重要なことは浮揚動力を小さくする ことである。周辺噴流型ACはフレッキシブルスカートが 考案5）されたことによって，ノズル出口部の高さ，つまり

＊津山工業高等専門学校

＊＊大阪府立大学工学部

浮揚高を低く設定することが可能となり，浮揚動力の大巾 な軽減が計られた。一方，浮揚高が低いときには圧力室型 ACでも充分高いクッション圧力6）が得られることから，

ノズル巾（1）より狭い浮揚高（k）の圧力室型ACに近 い考え方の周辺噴流型AC7）が現在多く使用されている。

しかしながら，筆者等は各種の理論から浮揚動力特性の評 価を行ったところ，多くの理論値はノズル巾より浮揚高さ が小さくなると浮揚動力特性は急速に悪くなり，ノズル巾 より広い浮揚高さのところでの浮揚動力が最小となること がわかった8）。これらの理論値の相互に差異があるため，

詳細な実験による浮揚動力特性の調査が必要である。一方 において浮揚特性に関する実験では動力特性まで言及した 事例は少なく，h／tをパラメーターとして浮揚動力を最小 とする実験も，h／tの値の小さい所では無いようである。

 本研究ではh／t≦3という浮揚高さの低い所でクッショ ン圧力，流量および浮揚動力特性の実験を行い，h／tの最 適値を浮揚動力特性より求めて設計資料に供すること，

9 一一

津山高専紀要第20号（1982）

h／t≦1のようなACの可否を判定することを目的とし た。代表的な4つの理論値とも比較のうえh／tの最適値付 近にも適用できる理論の検討も行った。

 以上の事柄により追求をした結果一応⑱成果を収めた ので報告をする。

        2．記   号 CP 無次元動力係数

C4流量計数 h 浮揚高さ P 所所圧力 Peクッション圧力

Ptノズル出口部における噴流の野洲

P AC装置を浮揚させるに要する浮揚流体動力 Q ノズル出口部における噴流の流量

Reノズル出口部におけるレイルルズ数 t ノズルの巾

γ 噴流の速度

Vaノズル出口部における噴流の大気側の速度 Vmノズル出口部における噴流の平均速度

y ノズル出口部で大気側を原点とする座標（Fig．1参   照）

  ノズル出口部の大気を原点とする水平方向座標   クッション圧力係数P，／Pt

  ノズル取付角度（Fig。1参照）

  流体の粘性係数   流体の動粘性係数   流体の密度

を整理すると次の諸式が得られる。

rr1 ＝＝h／t， rri＝＝＝tVm／v＝＝Re，

7v3  ＝＝t vm／tv2pt／p＝Q／t v2pt／p＝ Ce，

 tpp

 e

 pa

 P

 添字，oqt．最適値， d（Cp）／d（h／（）＝Oのときの値

       3．特性式の表示

 二次元周辺噴流型ACの浮揚特性に関する主な変数は次 の8個であ．る。つまり浮揚高h，ノズル巾t，ノズル取付 角θ，クッション圧力Pc，ノズル出口部の噴流平均速度 Vm，およびおよびPt，密度p，動粘性係数μ，であり，そ れらの間には一つの関係がある。

  f（h， t， e， p，， vm， pt， p， pa） ＝o   （1）

バッキンガムのπ定理を適用して無次元数を導入すると  f（za1， Z2， za3， Z4， ns） ＝O

のように5個の無次元数が得られる。．ここに

（2）

πド畝π2＝t Vm P／μ， rr3・・ Vm2 P／Pt，π4＝㌦2ρ画，

xs＝e ｛3）

 rr4t ＝rr3／n4 ＝p，／pt＝pap， zas＝＝e

π1 ﾍ無次元浮揚高，π2 はレイノルズ数，

｛4）

π1〜π5はある特定のAC装置に対する定数である。（3｝式

      π3 は流量係 数，π4 はクッション圧力係数である。浮揚動力に関する 無次元数は（4）式を用いて次の新しい無次元数が得られる。

  t n3

ni（z4 ）1，5

 tttt ＝一L，T．rT一＝CP

h・Pc J2Pc／p h・Pc V2Pe／p

（6）

 Cpは無次元動力係数であって，その物理的な意味を次 に説明する。一般にAC装置は浮揚すべき壁面の状態によ って浮揚高さが設定される。また，装置の重量と大きさよ りクッシ∈ン圧力も定まる。いま，ノズル巾とその取付角 度がt，θなる周辺噴流型ACにおいて，浮揚高とクッシ

ョン圧力がh．Peなるときの浮揚流体動力をPとすると，

同一のh，Pc圧力室型ACの浮揚動力との比をあらわして いる。この圧力室型ACはρ彦＝ρ。のように理想化された ものであり，h→0の場合に相当するものである。この CPによってAC装置の浮揚動力特性を評価することがで

きると共に，理想化された圧力室外ACの浮揚力との比較 が可能である。

      4．実験装置及び実験方法

 4．1，実験装置

 実験に供したモデルは二次元流を測定できるように製作 されたものである。二枚の側板に狭まれたノズル部，下 板，クッション室上板，帯板によって構成されている。

 空気の供給系は吸込側にバルブを設けたブnワーからオ リフィスを経てノズル部に入り，Fig．1に示すようにノズ ル部の前．にはハニカム金網が設けられ空気の流れを整流し        1

Fig．1 Testing device．

周辺噴流型エァクッシ Hンの浮揚動力特性の研究  ．道満・三森・安富

て流ようになり，下流にテーパーをつけ巾80か30になるよ うに絞られてノズルの平行部に達する。ノズル出口部では 噴流の下板に対する角度θを可変にするため，側面部が円 板で，気密が保たれるようジャーナルを介して側板の中に はめ込まれている。

 下板は側板および壁板と気密を保ちながら上下に可動で きる。浮揚高さを変化させるとき移動し，各方さの設定は スペーサーによる。クッション室上板は周辺噴流によって 誘起されるクッション室内の流れの影響をさけるためにノ ズル上方1（recess）100の位置に固定されている。厚さ20の アクリル板を使用してモデル全体の構成材料としたのは内 圧による歪を起さぜないためである。

 4．2，実験条件

 ノズル巾t＝・・30，ノズル長さ1＝ 200，recess・＝・・100，ク ッション室長さ＝600，ノズル出口平行部の長さ＝30，ノ ズル取付角度θ＝ 90。，75。，60。，45。，無次元浮揚高さ

h／t＝O．50， O．75， 1．00， i．25， 1．50， 1．75， 2．00， 2．25，

2．50，2．75，3．00，ノズル出口部におけるRe・・104〜2．5

×1050

 4．3，測定方法

 クッション室内の圧力分布はクッション室上板および下 板（地面板）に設けられた36個所の静圧孔（φ0．5）によっ て測定される。ノズル出口における全圧および静圧分布は φ1．7のピト噌を引掛作により0．5㎜のピッチでトラ バースさせて測定する。ノズル出口部の速度分布はこれら の測定値から計算によって求められる。

 ノズル出口部における流量はオリフィスの測定値を使用 し，ノズル出口部における流体動力は先に測定した流量お よびノズル部の全圧とから計算によって求めた。なお，使 用した測定器は超精密微差圧計およびベツッマノメー三一 である。

5．比較に使用した理論

 実験結果は次の各理論と比較している。実験値ともっと も一致することで知られている指数関数理論9）とBarratt 理論1の，ポテンシャル流れの厳密解11），とほぼ同一の浮揚 動力特性を示すWaldの運動量理論12），もっとも簡単な薄 い円孤噴流モデルの薄ジェット理論13），以上4つの理論で ある。運動量理論と薄ジェット理論は実験値よりかなり高 いクッション圧力を示すことが知られている。

 なお，乱流ジェットを運動量理論や薄ジェット理論等に モデル化して適用し，解析した例14）もあるが，いつれも 実験値より高いクッション圧力となり，指数関数理論，

Barratt理論の方が良い近似を示すことから，これらの乱 流ゼット理論は省略する。

6．実験結果および考察

 AC装置の浮揚特性の解明において最も基本となるのは クッション圧力の正確な測定である。Fig．2は，地面板上 における圧力分布の測定値の一例をしあしている。本研究 で行った全ての実験結果はFig．2と同様に，ノズルよりク ッション室側では一様な圧力分布となっており，噴流によ って誘起される二次元流れの影響による圧力の不均一は大 きなrecessを設定したことにより除去されている。

一C」一〇，5 十 2．．0

h／重 一［｝一一1．0 十 2．5

｛θ軍600）

o々し 十一1．5 十一 3．0

1．0

O．5

O 5 le IS 20 2／t

Fig．2 Distribution of static pressure along    ground plate．

 正確なクッシション圧力の測定ができたのもこのためで ある。このクッション圧力を無次元化表示をして，無次元 浮揚高さh／tとの関係の一例をFig・3にしめす。他のノズ ル取付角度θの場合（図示は略す）もみμが増加するとク ッション圧力係数ηρが減少する傾向も同様であるが，θ が小さくなるほどηρの値は大きく，傾はゆるやかにな

る。

rpp 1．0

O．9

O．8

O．7

e．6

O．5

O．4

L一．一h，．．一一一一kL

 o z．o 2．o 3．o h／t

Fig．3 Variation of cushion pressure coefficient    with height／jet thickness．

ノズルから出る噴流の流量は，浮揚高さが低くなるほ

一一 11 一

津山高専紀要．第21号（1983）

ど地面板が流れを阻害するために減少する。この様子は Fig，4の流量係数Ceとh／tとの関係のようになる。

 Ce0 ● 09．8

●

亀00

7 0●

グ0賦﹂ム﹁3● ● ● 

・

OOOO

92 0

    Theory Exponential Theory

L 一一L−L−J一一

  o  1．o 2．o  3，0 h／t

  Fig．4 Variation of mass flow coefficient wfth       height／jet thickness．

 図は．省略したがθが小さくなるほどCeの値は全般的に 減少している。

 クッション圧力および流量特性の実験値は本研究のよう にh／tが小さいときでも，指数関数理論とBa∬att理論に よって比較的に良く表現されることがわかった。

 ンbetr 1全・7 の虫．齢繕輿・オンη《 Caについマ 重 ） あるキ

 曾  ，，  7   一  一  ．F ノ 、 卍v4 H一 ． 冒 一    r7      ．   ■ 一              暫■     7   冒   ｝

Fig．5にしめすように，ほs 一つの線上にのることがわか った。この関孫は運動量理論や指数関数理論からも推定さ れるが，本実験において確められた。

 np

 1．0

〃』1．0〜1．5付近に最小値があり，それよりh／tが大き くなるとともにCpは増大してゆく。

Cp

1．O

O．9

0．8

0．7

0．6

0．5

0．4

鱒『軸嶋、、   曳     十口

Experiment  oe富90。

 A 7se  o 60e  十 4se

RLx ；・：

axNN ：：

   1．  一：

      ：．．

      三．

       一．一一

       ！        亀         ．

N N．． （e＝goe）

N． N

，N^mDX．．． ．9．

㌔こ漆切回夢．

       Momemturn Vheory        一．一．一．． Barratt Theory O Experiment 一一一．一一一 Exponential rheory        ． ・・一 ．．  Thtn Jet Theory

O．5

MoTnentum，Barratt Theorlr 一r一一一一． E）rponential Theory

．．…@●。●。●・●，鱒Thin Jet Theo可

●ゆ曉

。 o．s 1．o Cq

Fi．cr．5 Variation of cushion pressure coefficient     with mass flow coefficient．

 A．C装置の浮揚動力特性をあらわす無次元動力特性Gpを Fig．6−1〜F嬉．6−4にしめす。全般的な傾向としては凹 形である，そのうえh／t＜1ではCpは増大しており，

   o 1．0 2；o 3．0 h／t

Rig．6−1 Variation of noti−dimensional power  coefficient     with height／jet ．thickness，（e＝goe）．

cp

1：0

0．9

0．8

o．i

O．6

o．s

O．4

、  （6躍750）．

 コ ＼

       Momentum Theory

  覧      一・一，一 Barratt  Theory   ＼  ＿一一＿一E。p・ne・・i・1舳・y

    奇・、＼ ……ざ 叢謡：。押η

コ ハ       し      ロ

       む

文＼気こ＝亙亙∫一≒蒙

  ㌦…．．．．＿＿．．＿．．．．・・・・…。 ● ．

一一一一一一一一一；一一一一一一一一一

L一一L一一L一一一L一

  o 1．0    2：0 ．・  ・iO  h／t

Fig．6−2 Variation of non−dimensional power coefficient     with neight／jet thickness，（e＝ 7sO）．

Cp

 LO

 O．9

 0．8

 0．7

 0．6

 0．s

 O．4

       （θ寓60。）︑

、      M・・…岨th…y

 り 、   一雷一●噸Ba「「atしTheo「y        胃一一一一一  Exponential Theory

 ＼  ．      ・●．・・●，鱒・，●鴨●  Thin Jet Theory

  ＼＼

       O   Experiment 辱q、。＼、，

瓦〉蔓喩こここ配配9コ

   o 1．o ．． 2．o  3．o h／t

Fig．6−3 Variation of non−dimensional power coefficient     with height／jet thickness，（e＝ 600）．

周辺噴流型エアクッションの浮揚動力特性の研究  道満・三森・安富

Cp

1．0

O．9

O．8

O．7

O．6

O．5

O．4

       （θ雷45。）

X． ．一一．一．一一． Momenturn Theory

、     Barratt舳・y

 N      Exponential Theory  L ・ ・… ．  Thin Jet Theory  x．

  N． o Experiment

三  ＼融ρ♪＼＿

 n．．． 一 s．．．g．．p  6一 ．一 一一〇一 一〇 一U 一〇

rpp oPt 1．0

O．9

O．8

O．7

O．6

o．s

O．4

o o _o

一N一一N一一一一ny一一一一一一一一一一 s一一一一一一一一

        Mornentum lrheory    一．一一一一一一 Barratt Theory    ．一一一一．一一 Exponential Theory    ．．．．．．． ．．．一 Thin jet rheory

O Experiment

  o 1．o 2．0 一 3．0 h／t

Fig．6−4 Variation of non−dimensional power coefficient     with height／jet thickness，（e ＝4sO）．

 またノズル取付角度θが小さくなるほどCp値は全般的 に小さくなっている。理論値は指数関数理論がもっとも実 験値に近似しており，特にh／t〈1における他の理論値は 大きくはなれてηρ，Cqほどよく合っていない。

 次にCpの最小値を最適値としてノズル取付角θをパラ メーターとする各特性の最適値を考えてみる。

 Fig．7はh／tの最適値をしめし，θをgo。から45。へと小 さくすると，h／tの最適値は1．1から1．5へと大きくなる。

この結果より，通常多く用いられているh／t＜1と云う設 定は修正されるべきである。

 h／t（］Ptに関しては薄ジェット理論がよく合っている。

h／t oPt  4．0

3．0

2．0

1．0

      Momentu皿Theory  一一一，一 BaTratt  Theory  一一噌輔蝿一 Exponential Theory

 ・・。・韓・・・・… 。 Thin Jet：Theory

      ●        ．1     。E・pe「imen㌧1・！

       ．！・1   一〆一       ！       一

       ，一

／／ゴ，！ ノ

の        ノ       ロロのロ

 ノノ     ．．．．．．．・・・・…．願9 ．   。

．．．．．．・・・・… 6 0ﾂ

  go 7s 60 4see

Fig．80ptimum value of cushion pressure coefficie就．

Cq oPt 1．0 O．9 O．8

O．7 O．6 o．s O．4

O．3

O．2

       o

o         o

        ／

    Momentum Theory

一一b．一．一一一 Barratt Theory 一一一  Exponential Theory 一 ．一H Thin Jet Theory

0

 90 75 60Fig．70pti皿u皿value of height／jet thickness．

is eo

 Fig．8はクッション圧力係数ηρの最適値をしめし，θか 変化してもηp oPtはほy 一定値0．8になっていることか注 目される。指数関数理論か実験値にもっとも近く，他の理 論は大きく外れている。次に流量係数の最適値をFig．9に しめす。ηρ曜と同様にCq oPtもほとんどθに無関係であ り，その値はほs O．65である。

O．I V O Experiment

 90 75 60 45 eeo Fig．9 Optimum value of mass flow coefficient．

 運動量理論を除く他の三理論も同様な傾向であり，実験 値より少し大きな値になっている。これらの結果よりAC 装置か最適値付近では作動しているか否かを判定するため にはηpまたはCeを判定すれば良い。クッシEン圧力A

CV（Air Cushion Viecle）の重量とクッション室の受圧面 積により決められるため，ノズル部の全圧Ptを測定する

ことによってηpは容易に求められる。

 そのためηρの値から最適な作動状態を判定する方法か 簡垣である。

 無次元動力係数Cpの最適値をFig．10にしめす。実験 値はノズル取付角度θを90。から45。へ減少させると，Cp oPt は納0．7から0．5へと改善されている。

 Cpψ は1より小さいため，理想化された圧力室型AC より浮揚動力特性の優れていることか明らかとなった。

 なお運動量理論を除く他の理論値は実験値と似た傾向を しめしているか，指数関数理論か最：も良く合っていること

一13一

津山高専紀要第21号（1983）

Cp opt 1．0

O．9

O．8

0．フ

O．6

o．s

O．4

         塾Io皿entu皿Theory     一一一．一一一 Barratt Theory     一．一．一．一 Exponential Theory

．．  ． ． lrhin Jet Theory

こきモ＼。E騨㎞ヒ 瓦奇・減、＼

    殴こ＝ミ≡≧ここ、

      ：： ：：：：：tsg．．．．．．．． ．：．．一．一

L−L一一一L一一一L一一一一L一

 go 7s， 60 4s eo

Fig．10 Optimum value of non−dimensional power    coefficient．

かわかった。

 h／ ψ およびCp oPtの結果よりθか小さくなると設定 浮揚高さを大きく取れると共に浮揚動力も小さく設定でき る利点かある。しかし，通常θを小さくするとノズル部か 外側に大きく張り出すためAC装置か大きくなることか

ら，θ＜450か用いられている。

 指数関数理論とBarratt理論は，本実験のh／t＜3のとき もηρとC4は比較的実験値に近い値をしめすか， Cpはあ まり良く合っていない，そこで，理論モデルを検証するた めに，ノズル出口部における噴流の速度分布を調査した。

 Fig．11にその一例をしめすが他の場合においてもBarr・

att理論の分布形はほy 実験値に近く．指数関数理論はク

V／ Va

1．0

O．9

O．8

O．7

O．6

O．5

O．4

O．3

O．2

O．1

（e＝600）

熊

   Theory      ｝10mentu皿 一．．一一一一 Barratt

一 一一一・一． Exponential

      Experiment     puSs．．． 9 h／t−O．5

＼＼ざ

   、叔。

    蟄㍉一

        lx

．．＝

 、殉噂   N

 O O．5 1．0 Y／t

Fig．11 Sarnple velocity distribution across jet    exit； e ＝＝600．

ッション二二に近づくと実験値より低くなることかわかっ た。しかしながら，実験値を詳細に観察すると，クッショ ン室側にごく近い所では急に速度か低下し，特にh／t−O．5 ではBarratt理論から大きく外れていることかわかる。こ の速度の低下はノズル出口部より少し上流側で流れのはく

りか生じているものと考えられる。

 結局，本実験の比較に用いた理論では，流れのはくりを 考慮することは困難であり．正確な浮揚動力特性を望むこ とはできない。たX し本研究で比較した理論の中では指数 関数理論かもっとも実験値に近い浮揚動力特性を与えるこ とかわかった。なお，本実験のR8数の範囲では，浮揚動力 特性の変化は確認されなかった。

7．結 論

 ある任意の浮揚高のACにおいて，浮揚動力最小となる h／t oPtは1．1〜1．5であり，実際のACに用いられている h／t＜1は改められるべきである。また，ノズル取付角度 を90。から45。まで減少させると最適浮揚動力Cpは値は約 0．7から0．5に改善される。そして，Cp＜1であるから，理 想的な圧力室型AC（Pt＝Pc）よりも浮揚動力か小さく，周 辺噴流型ACの優れていることか明らかになった。

 任意の周辺噴流型ACにおいて，最適な動力特性を与え るクッション圧力係数の値はηρiO．8であり，流量係数の 値はC4÷0．65である。それゆえ，実際のACか最適のh／t で作動しているか否かを判定するときに簡単に測定できる ηρの値を目安にすることかできる。

 本実験のh／t∠ 3において，浮揚動力特性を正確に表現 する既存理論は無いようであるか，指数関数理論か最も良 い近似を与えていることかわかった。

 本研究を行うにあたり，有益な助言をいただいた大阪府 立大学の木田輝彦助教授に厚く御礼を申しあげる。

        参 考 文 献

1）R．MCLEAVY他， B．P．C Publication Ltd． London，

  1979ev1980．

2）三ッ矢，ACVの研究，13−2．1／7，1980 3）鴨井，機械の研究，20−6羅825／830，1968 4）安富，他，空気調和衛生工学会論文集，2．65／73，

  1976

5 ） C−M一 LAT［MER−NEEDHAM， U K Patent 86978， 1959 6）安富，他，日本機械学会論文集，38−307535／542，

  1972

7）大門，日本航空宇宙学会第6回年会講演集，1975 8）安富，ACVの研究，13−2，26／29，1980

g） R． STANTON−JONES， 1．A．S． Paper， 61−45， 1961 10） A．J． Burgess， A．A．S．U． Report， 256． 1964 11） T．STRAND， J，Aero／space Sci， 28−11， 27／33， 1961 12） Q． WALD， J． Ship Research， 8−4， 16／20， 1964 13） HR． CHAPLIN， DTMB Rep， 1373， 1957

14）安富，他，空気調和衛生工学会論文集，3，1／91977