離散渦法 による単独翼か ら発生す る空力騒音の予測

長崎大学工学部研究報告 第29巻 第5

2

1

離散渦法 による単独翼か ら発生す る空力騒音の予測

33

佐 々木 壮 ‑ *･林 秀千人*

児 玉 好 雄 *

Pr e di c t i onofAe r odyna m i cNoi s eGe ne r a t e d f

romI ndi vi dua lBl a debyDi s c r e t eVo r t e xMe t hod

by

So u i c h iS AS AK I , Hi d e c h i t oHAYAS HI a n dYo s h i oKODAMA

Th edi s c r e t ef r e qu e n c ynoi s e( DFN)wh i c hi saki n dofa e r odyna m i cn oi s ei sc l os e l yc onn e c t e dwi t hK… a n vor t i c e st h a tf oml Sa tt het m il i nge dg ei nt ot h ewa ke. I nt hi spa p er , Wepr opos e dac onv e ni e n tme t hodt opr e di c tofDFN t ha tba s e dno tont h ee xp enme nt sbu tont hes i mpl enowc a l c ul a t i on,t ha ti s , di s c r e t ev or t e xme t ho d. Fr omt hi sme t h

t h ewa kec h a r a c t e r is t i c sa ndt h enuc t ua t i onsofc i r c ul a t i ona r ou ndt h ebodyc oul d

ec a lc ul a t e di ngoo da g r e e men tw it h e xpe r ime n t s . Th es ou r c edi s t r ibu t i onofDFNi sa lmos tga t h e r e dt ot h et r a i l i nge dg e, a L nda tt het hi c kbl a d ei ti se x t e n de d t odi r e c t i onoft h el e a di nge d g e.Th ep r e di c t i or LOft h eDFNus i n gt h ec a l c ul a t e da nds u gg e s t e dqu a nt it i e sma ke sa b ou t

±3 dBa c c u r a c y.

Ke y Wor ds:Ka rma nVor t e x, Ae r odyna mi cAc ous t

, Wa k e, Nume r ic a lAna l ys i s ,Bl a d e

1

新エネルギーと して注 目を集めている風 力発電の試 作用 ブ レー ドによるテス ト(1)において ,高周波域 に極 めて高 い レベル を持つ離散周波数騒音

( DFN)

DF

また ,秋下 ら

( 3)

て急増す る傾向 を示 し,後流渦騒音の寄与 は乱流渦騒 音 よりも支配的であることを示 した.

しか し,従来の研究 は実験 による現象の把握 と騒音 に関係す る諸量の研究 が主 にな され,

Li ght hi l l ( 4 ) (

)

cur l e ( 6

これ らの特性 を代人 して騒音 を予測す ることに終始 し ていた.一方 ,数値解析 による計算結果に基づいた空 力騒音の予測はかな り進歩 して きたが ,依然 として現 象の議論 が単純 な形状 に限 られてお り

( 7)

DFN

平成

1 0

1 0月 22

'機械 システム工学科 (

De p a r t me ntofMe c ha ni c a lSys t e msEn g in e e r ing)

34 佐 々木壮一 ･林 秀千人 ･児玉 好堆

る.

本研究 は,単独業か ら発生す る空力鼻音 を設計段階 で簡便に見積 もるために,ポテンシャル流れの代表的 な計算法である離散渦法の シ ミュレーシ ョン結果 を用 いて騒音の予測 をす る.まず ,実際の現象 を把握す る ために風洞実巌で後流の性質 を詳細に調査 し,物体形 状 が後流形成の メカニズムに及ぼす影響 を考察す る.

次 に数値計算では,実鼓結果 を参考に して離散渦法に よる後流の近似 を行い ,実験 による測定が困難な物休 周 りの循環変動 と業弦長方向の圧力変動の分布 を求め る.また ,離散渦法による計算結果 を用いた単独糞か ら発生す るDFN の予測式 を導出 し,授業 した物理量 を用いて高精度に予測 が出来 ることを示す.

2,

a

m/ s b

b l

C

L

d p, . , B ( X)

f c

:

fw' :後流の速度変動の無次元周波数 J｡ :スパ ン方向相関長 さ mm

l s

p｡:最小可聴音庄 pa

r

Re:

S PL

∫J:ス トローハル数

J

U

n Js

〟 :主流方向速度

m/ s

u.

m/ s

a, 〜

n Js

〟'

｢ :物体周 りに配置 した渦点の無次元循環 rs:物体周 りの無次元循環

F s:

㌔ :後流渦点の無次元循環

q:

で:後流渦の減蓑パ ラメーター V .'動粘性係数

m 2 / S

3.

図

1

は測定部 において0.5%以下 と小 さい.供 試 案 は幅 350mm高 さ350mmの ノズル出口か ら190mm下流 に取 り付 け られ ,230mmの幅 を持つ上板 と下板の間で押 さえられ る.流速の測定は

,

トラバ ース装置により移動 させなが ら行 った. これに 基づいて後流の速度 u,速度変動 〟 を計測 した.餐音 の測定は,DFN の性質が双極子音源であることか ら, その指向性が最 も強いと考 えられ る翼弦方向に対 して 垂直方 向の ,後縁 か ら500mm離 れ た位置 で行 った.

なお ,本実験 における翼弦長

C

U｡ =19. 2m/

Re

Uo =2 7. 7

n /

Re ≒

MIcrophe r I + ^{unl t i J h M}

Fi g. 1S c h e ma t icv i e wo ft e s ts e c t i o n

3.2 供託賞

図

2

業 ( NFt y pe)

W t yp e)

Cは6

Fi g. 2Bl a d es e c t i o n

離散渦法による単独業か ら発生す る重力巌音の予測

3.3

離散渦法 は差分法や有限要素法等 と比べて計算手順 が比較的簡単で あるとい う利点 を有 し,高 レイノルズ 数 における種 々の物体周 りの計算でかなりの成功 を収 めている

( 8×9)

図

3

は く離点での渦の導入については諸説 がある

( 1 0)

3

A,ち

^{w, L L}

^WB

W( Z)

(1)

.

〟

W' Z '‑Uか

言 rJog

.

1 ■

'妄

言 t r‑ l og( Z I Z ‑ ) 'r

dog( I ‑I‑ )

Kel vi n

ことで求め る.

後流の放出渦の時間変化 を追跡す るための時間間隔

dt

N w

ップ

mt

( 2)

dt

^{志 / m ,} ( 2 ,

,S

S , =0･ 2

,N w =40,mt =2

1.0

0

9‑

1. 0

;ゝ､

0

‑1.0

I l

NF1

26 C 0 f ‑

^; S ^{r J n}

^! . q + t , t k.

* . I . . 5 ｡ . ^' ▲ ^'

ー1.0

0

^{2. 0 3. 0}

x/ D

Fi g. 3 Di s t r ibu t i onofdi s c r e t evor t e xpoi nt s bydi s c r e t ev or t e xme t hod

3 5

図

3

^…

^ub

自由渦であり,放出渦の相互の距離 が近擦す ると非現 実的 な速度 が誘起 され ることになる. ここでは流体の 粘性 に よる渦の拡散効果 を考慮 して ,式

( 3)

Y｡‑

^{y ( r y ,o)}

ve

^{ry ( r y<O)}

( 3)

ここで,r

w

v

,

.

8)

V

‑0 . 2 4

した.

渦放出モデル を計算する場合 ,一般 に物体 に作用す る流体力は実験値 に比べて大 きくなる. これはは く離 点か ら発生 した渦点の循環が減蓑無 しで後流へ流れ去

るの に対 し.実際 は後涜 中で乱れや粘性 などの影響で , 渦度 が減衰す るためであると考 えられてい る.本報 に お いて も,この渦度 の減衰 を考慮 す るために ,文献

( 9)

( 4)

ry‑r w e x p ( ) ^{( 4 )}

ここで,Tは減衰率 を決定す るパ ラメーターで ある.

ここで は文献

( 9)

T= 1 3. 5 D/ U.

4.

4.1

4.1.1 DFNの測定 と音圧 レベルの補正

図

4

S PL

BGN

27. 7 m/

C

Re =1 1 0 00 0

いず れの巽 も明確 な音圧 レベルの ピー ク値 が現 れ ,

DF

図

1

36

1 00 90

Cq

; 80 70 60

佐々木壮一 ･林 秀千人 ･児玉 好雄

Fi g.4 Sp ec t r um di s t r ibu t i onoft hea e r o dyn a m ic noi s ef ore a c hbl a de

こで今回は ,風洞内 と屋外で音響出力の等 しいホワイ トノイズ をスピーカーか ら発生 させ ,各々の関係 か ら 全周波数帯域 に渡 って最小二乗法により音圧 レベル を 補正 した. この調査で ,音響の共鳴や干渉の影響 は最 大で約

1 5 d B

図

5

DF

SPLの関係 を示 した もの

6

6

6

して用いる全騒音データに対 して同様の補正 を行 い共 鳴や干渉の影響 を取 り除いた.

9 0

■●

p

宅

7 0

l

I

O N

3 6 0

△ N

66 0

‑ sp

∝t l P l r l

l

1 0 1 uom/ s 1 02

Fi g.5 Re l a t i ons hi pb e t we e nm i nf low v e l oc i t y a mds ou ndpr e s s ur el e v e l

4.1. 2

図

6

,

u'

,

1 . 0

y =

置 を中心 として見 られ る. これは ,渦 が物体後方 に発 生す ることによる後流の乱れである.この時 ,速度変 動の最大値 は

〟 か ≒1 . 0

0.5

ミ 0

‑0.5

‑ 1

‑1 ‑

0

0 0. 5 1 1 . 5 x / D

( a)NFt ype

ー 1 ‑ 0. 5 0 0. 5 1 1. 5 x / D

O) )NW t yp e

Fi g. 6Cont ou r ma poft h ev el oc i t yf luc t ua t i onsi nt hewa ke

図

7

/ D ≒0. 5

離散渦法による単独累か ら発生す る重 力騒音の予測

3 7

1. 0 0. 8 Zo. 6 i

ヨ.

0. 2

l

l

U

o

m/ S

･ . NF ( ^l x = 0. 5 D)

O

F( x=

一 一 〇

+

一 一 ■

￠三

o o･ 2 0 ･ 4 y/ D O･ 6 0･ 8

Fi g. 7Di s t r ibu t i o no fi n t e n s i t yf o rs h a r e i n gf o r c e

i nt h ewa k e

図

8

b . J

x/ D<1. 0

x/ D>1. 0

との領域 に分 け られ る.

〟か<1. 0

,〟か>1. 0

〟'

O

‑A‑ NF1260

+

^{m/ S}

｢▲‑

0

0

2. 0

r / D

Fi g. 8Di s t r ib u t i o no fh a lfwi d t hi nt hewa k e

図

9

( 5)

して表 され る.

一

^{一 牡 =e x p ト 0･ 693( 2 y / b} l a ) 2 1

〟 h

( 5 )

今回の実巌結果で ,速度欠陥の分布 が遠距離場の後流 だけでな く,後方 よどみ点の位置か ら相似 になること

1

w t

㌔ 5

ー 2. 0 ‑ 1 . 0

y/ b 1 / 2

1 . 0 2 . 0 Fi g. 9Ve l o c i t yd e f e c ta t t h er e a rs t a g n a t i o np o l n t

i nt h ewa k e

が明 らかになった. また ,同位置での半値幅の

2

2b 1 ,

2b l

4.2

4.2.1

図

1 0

( a

( b)

( C)

( d)

4

B

1

N Ft y p e 0 .5 D N W t yp e

＼

J f

Fi g. 1 0Co n d i t i ono fi n i t i a lv o r t e xi n t r o du c t i o n Ta b l e

.P o s i t i o no fi n i t i a lv o r t e xi n t r o d u c t i o n

Co n d i t i o n X ツ ( a ー 0. 05 か I( 0 . 5 D/ C)

仲)

0. 05 か 0. 0

r c ) 0. 05 D ‑ I( 0 . 5 D/ C)

I..∫

) ) )

b C JnU

hHJJl r rHI H n=1 日

3 8

図11は震周 りの循環変動のスペク トル分布 を示 した ものである. ここで ,循環変動の値 は物体周 りに配置 した渦点の循環の総和 を各時刻 につ いて とってい る.

スペ ク トル解析 は最大 エ ン トロピー法 を用いてお り, 縦軸の dr

ME

( b)

( a)

( b)

り卓越 した ピーク周波 数 が見 られ ない. しか し

,( C)

( 也)

Fi g.ll Spect r um di s t r i but i onofci r cul a t i on f L uc t ua t i onsf ort h ee a c hc ondi t i ons

図1

2

0 0 0

4 3 2

. A /D 3

3. I

L

l

● ■NF

t y pe

J ■ ^{NW t y p e} i

1･ Of 2 W ･ 0 =/ W 3 8uo 4･ 0 5･ 0 Fi g.1 2 Compa r is o nbt we e nme a s u r e df r e qu e nc y

a ndc ompu t a t i ona lf r e qu e n c y

図1

3

b 1 ,

I 一〇‑NFO660(EXp.)

‑D‑NWO660(

Ex p. )

+ NFO660(

Comp. )

‑ NWO660(

Comp. )

Uo =2 7 . 7 r r ds

I D=6mm

0 1. 0 2. 0 x/ D

Fi g.1 3 Comp a r is ont Xt w e c ne xp e r ime n t a lha l fwi dt h a nd c ompu t a t i ona lh a lfw id t h

長方向の分布 を示 したものである.図中の白抜 き記号 は実簾値の値 を,黒塗 り記号 は離散渦法 による数値実 巌の結果 を示 している.離散渦法の後流 は ,実点 の着 果 と同様 に ,平板真の半値編 が くさび型真 よりも大 き

く後流渦の特赦 を再現 している. これは ,渦点の導入 位置 を翼厚 よ りも内側に設定 した事で ,強いせん断層 の存在 を近似 したため と考 えられ る. また,AD≒

1 . 0

4.2.2

図1

4

^s

0. 2 0

w l 0. 2 L o. 2 0

‑ 0. 2

] l l l

NFO360l l

l l

0 ^{1 . 0 2. 0 3. 0 4. 0 5. 0}

J

Fi g.1 4 Fluc t ua t i onsofc i r c ul a t i ona r oundf l a tpl a t e

離散渦法による単独業か ら発生す る重力寮音の予測

図1

5

Fs

( 2)

l l

1〇‑Re f . ( 2)

o

m/ S

p e

m

0 0. 1 0

0

0. 5

Fi g.1 5 Re l a t i ons hi pb e t we e nt h et hi c knes sr a t i oa ndt he nu c t ua t i onsofc i r c u一 a t i on

4. 2. 3

図1

6

d p Ⅶ ( I)

全ての巽で後縁の圧力変動 が最大にな り,前縁 に向か ってその値 が急激 に小 さくなってい く傾向 を示す. ま た ,巽厚比D/Cが大 きくなる程圧力変動分布 が前方 へ広 がってい る. これ は秋下 ら

( 3)

(x

)su JJ d p

l

D / C

NW I

0. 0

⁺

0 .1

+

0 . 2

0 . 4

一一O‑

̲ 1 ‑ 0

0

∬/ C

Fi g.1 6 Di s t r ibu t i onofp r e s s u

enuc t ua t i onsont hebl a de s u r f a ce

39

る傾向 と一致す る.す なわち ,音源 は某後縁 に集 中 し ているが ,震坪比 が大 きくなると弦長方向に多少の分 布 をもっていることを示す ものである.

ここで ,後述の鼻音予測式 において分布音源 を考慮 した弦長方向相 関長 さLsとして ,式

( 6)

L･‑恕

( 句

ここで

L s

C>九/ 4

E s , =九/ 4 ,C<九/ 4

L s F C2 / ( ル4)

( 6)

d

r ms ( x)

4.3

図

1 7

しか し,これは後流渦の循環の見積 もりに単純 な仮定 を していること,実巌 的に求め る諸星 を含むこと,ま た物体表面の音源分布 を考慮 しないなど不完全な点 も 残 っている.

dp (XI

Fi g. 1 7 Mo de loft heDNFs our c ef ort hep l a t e

40 佐々木壮一 ･林 秀千人 ･児玉 好堆

可能 となった.これ らの値 を用いることで実験的な近 似や誤差 を最小限にとどめた,より高精度 な予測がで きると考 えられる.以下の患音予測では,離散渦法に より得 られ る糞周 りの循環変動 r

^s

代わ りに直接用 いる. また ,弦長方 向相 関長 さ Lsに は式

( 6)

sha r l a nd(

( 7 )

wD‑

^意

‑ L ･ U /' Z ' S c d z

ここでpoは空気密度

,a

,s

L p

sc =

C上 ( I )

( 8)

CL ( 1 ⁾ = ^{2 r. s}

^{n ( ot++ )}

U. C ^{( 8)}

r

s

( 9)

[ 署 】 2 ‑ . 6 J P ( 去 ) ^{( 9,}

双康子型の音 は流れ と直角方向で最大値 p2m とな り, 音響パ ワーとp

2

( 1 0)

W

忘 ^p'

^{( 1 0,}

ここで

,

SPLは式 ( l l )

SPL = ^{1 01 0g . 0 (} P ^{T J P. ) ( ll )}

p

2 . 0×

0･ 5 Pa

( 7 ) 〜( l l )

り,r点での発生者の音圧 レベルは,式

( 12)

SPL= 1 0 1 0 g 1 . 1 三p o a F o J P r d T . e U . ^{向 ( 1 2,}

図

1 8

( 1 2)

1 9. 2 m/

,2 7. 7 m

45. 0 m/

1(p973!p91d)tip

T J S 00

U○M

C Z N )C F ● ■C N Q W A

L71 ○

● ■

60

^{7 0 8 0 9 0}

SPL dB ( me a s ur e d)

1

Fi g. 1 8 Re l a t i ons hi pbe t we e nme s u r e dSPLa n d pr e di c t e dSPL

5.

後縁 が切 り立 った物休 を通過す る流れの特性 と

DFN

(1

(2

2

(3

(4

離散渦法による単独実か ら発生す る空力騒音の予測

の弦長方向の広 が りと大 きさともに巽厚比 に依存 し た分布 を持つ. これが離散周波数廉音の弦長方向成 分の音源 と考 えられ る.

(5

±3dB

を予測す ることがで きた.

参 考 文 献

1)二井 ･五反田,小型風 力 ター ビンの空力離散周波 数騒音の周波数 と音源位置

,1 998

,No. 98‑ 6,11 5,pp. 9 4‑ 9 6

2

3

51 ‑ 46 8 ,B(

0‑ 8),p p. 2505 ‑ 251 2

3

2

1 3 87

11 ),p p. 3797

3 805 4) M . J . Li gh t h i

l ,Ons ou ndGe ne r a t e dAe r o dyna m iC a ll y

I .Ge n e r a lThe o

Pr o c.oft h eRoya lSo c.A211 ( 1 951 )

41

pp. 564

5)M. I . Li gh t h i

l ,Ons ou ndGe n e r a t e dAe r o dyna m iC a ll y I

. P t o c. Roya lSoc. , A222( 1 95 4) , pp.1

6)N. Cu r

e ,Pr o c. oft h eRoy a lSoc . ,A231 ( 1 955 ) , pp. 5 05

cFD

ス音の予測について

,1 9 98

,No. 9 8‑ 6 ( 1 9 98),pp. 43‑ 4 6

8)

2

,49‑ 440(

4),pp. 801 ‑ 807

う非定常流れの‑解法(第二報 ,単独円柱 まわ りの 流れ),概論

,5 2‑ 476

61

,pp.1 6

1 6 06

1 0)

pp. 302

ll)Ⅰ .∫. Sha r l and,SOURCESOFNOI SE I N AXI AL

FLOW FANS,SoundVi b. ( 1 96 4)I( 3) , pp. 302‑ 322