ニューズレター

流れ 2006年4月号 目次

― 特集:噴流の制御 ―

  1. 渦発生ジェットによるはく離再付着流れの制御
    本阿弥 眞治(東京理科大)
  2. 柔らかいフィンをもつ円管から流出する噴流
    中島 正弘(鹿児島高専)
  3. ウォータージェット技術で用いられる噴流 −アブレシブジェットの展開−
    清水 誠二(日本大学)
  4. 超音速ジェットからの放出される強い音波の抑制
    前川 博(広島大学)
  5. 同軸噴流における物質混合のアクティブ制御
    深潟 康二,光石 暁彦,笠木 伸英(東京大学)
  6. 編集後記
    辻本 公一(三重大学),桑原利明(荏原製作所),舩橋 茂久(日立製作所),松本大樹(室蘭工業大学)

 

柔らかいフィンをもつ円管から流出する噴流


中島 正弘
鹿児島工業高等
専門学校

1.はじめに

 噴流は工業的にも多く見受けることのできる流れ場であり,改めて記述するまでもなく,各種流体の拡散・混合,燃焼および伝熱などに密接に関係している.このようなことから,噴流の挙動を人為的に操作することは噴流を各方面で応用する際に遭遇する問題の解決に直結しているため,噴流の制御に関する研究は,これまで多くの研究者によって行われている.これらの研究は,いずれも,噴流出口から流出する大規模組織構造である渦輪を制御するものであり,その方法により,受動制御(1)-(3)と能動制御(4)-(6)に大別される.なお,これらの研究については,このニュースレター今月号でも他の研究者によっても紹介されている.さらに,これらの研究の延長としてGutmark(7) らは,フレキシブルなノズルから流出する噴流の組織構造について最近,研究を行っているようである.

 このような研究の背景から本研究では,図1に示すように柔軟性のある人工セルロース製の短冊状フィンを円管出口に取り付け,噴流拡散の様子を実験的に調べるものである.すなわち,噴流の流出にともなって,このフィンが上下,左右に振動して,大規模組織構造である渦輪に影響を及ぼすことが期待される.ここでは,フィンの長さを種々,変化させてLIF法による可視化実験やPIV法による速度計測などを行い,フィンの装着が噴流拡散に及ぼす影響について調べたので紹介する.


図1 流れのモデルと座標系

2.実験装置および方法

 本研究で用いた実験装置を図2に示す.ポンプから汲み上げられた下部タンクの水は,内径 =20 mmの真鍮製円管を通り,可視化水槽内に流入する.なお,水槽内の水位は一定に保たれている.デュアルパルスNd:YAGレーザーとArイオンレーザー照射装置を可視化水槽の上方,もしくは側方に設置した.そして,噴流の平行断面(xOy断面)や直裁断面(yOz断面)にスリット状のレーザー光を照射し,高解像度カメラや高速度カメラを用いて,これらの断面内の流れを撮影した.PIV法による速度情報の取得のためには,噴流および水槽内にトレーサー粒子として,球形ナイロン樹脂を混入している.また,蛍光染料を噴流に混入させてLIF法によって画像情報を取得し,これらの断面内の組織構造をウェーブレット多重解像度解析により求めた.

  ここでは,円管出口に取り付けた人工セルロース製フィンの長さLL/d =1.0,1.5,2.0に変化させて行った可視化実験について紹介する.

@Pump
ACircular pipe
BWater tank
CHigh resolution camera
DHigh speed camera
ENd:YAG laser system
FAr-ion laser system
GPulse controller


図2 可視化実験装置

3.主な実験結果

 噴流拡散に大きな影響を及ぼすフィンの挙動を調べるために,高速度カメラによって流れの画像を取得した.一例として,フィン長さがL/d =1.5の場合の動画を図3に示す.この場合,軸対称的に振動するフィンの先端における振幅は大きくなり,この影響を受けて,せん断層付近の流体の回転規模と速度も大きくなっていることが認められる.また,ファイルサイズの関係から,ここでは示していないが,L/d =2.0の場合には,フィンに進行波(8),(9)がさらに大きく生じるようになり,しかも,フィン先端の振動により噴流周辺部の流体が大きく噴流内部に取り込まれていることが確認されている.

 高解像度カメラによって撮影したxOy断面内の瞬間画像を図4に示す.これらの図において,各画像の左端が約x/d =10の位置である.この位置における各噴流の拡散状況を比較すれば,フィンを装着した場合,拡散が促進されることがわかる.さらに,各画像の輝度分布情報から,フィンを装着すると噴流構造が変化することもわかる.


図3 フィンの挙動(高速度カメラによる観察,L/d =1.5)

(a) without

(b) L/d =1.0

(c) L/d =1.5

(d) L/d =2.0

図4 噴流の拡散(LIF法による観察)

 

図5 速度ベクトル(L/d =2.0)
 
図6 噴流幅のx方向への変化

 高速度カメラからの画像を用い,比較的,フィン近傍の流れについてPIV法により求めた,ある瞬間の速度ベクトルを図5に示す.これは,1秒間に500コマの撮影条件で取得した画像を用いて得られたものである.なお,この図5の右端がフィンの先端位置である.フィンの振動によって周囲流体が攪拌され,時計方向に回転する大規模な渦が発生していることが,この図5からも認められる.

 フィンが噴流の拡散に及ぼす影響を調べるために,PIV法により,各場合における噴流の速度分布を求め,これを用いて各下流位置における噴流幅 2b を求めた.このようにして求めた 2bx方向への変化を図6に示す.この図6からわかるように,フィンのない円管から流出する噴流と比較して,フィンが装着されたことにより噴流幅は大きくなり,噴流の拡散が促進されている.また,フィンが長くなると拡散促進効果は増大することもわかる.

 LIF法によって流れの画像を取得し,これを用いてウェーブレット多重解像度解析を行った.その一例として,xOy断面の画像を用いて解析した結果を図7に示す.なお,ここでは,比較的大規模な構造を表現するレベル1から,小規模構造を表わすレベル4までを示している.レベル1において、フィンを装着する,さらに,これを長くするほど,噴流中央部の赤紫色の領域が増加し,噴流の上流域までこれが分布している.これは,可視化画像からわかるように,フィンの打ち下ろしによって噴流中心部まで周囲流体が巻き込まれ,噴流主流部に,いわゆる,くびれが生じていることに対応している.中規模な構造を示すレベル2については,フィンを装着した場合は,これを装着しない場合よりも大きなウェーブレット係数値を示す赤や黄色の領域が多く認められるようになり,このレベルの構造が多く分布するようになる.また、比較的小規模な構造を示すレベル3や4において,フィンを装着しない場合にはこのレベルを示す構造はあまり認められないが,フィンの長さがL/d =1.5や2.0の場合には,これらのレベルを示す領域は噴流周辺部や噴流内部に分布するようになる. このようにフィンを装着し,これを長くすることにより,噴流周辺部の流体がかなり上流部において噴流主流部へ取り込まれるようになり,さらに噴流中に小スケールの構造を多く含むようになるので,噴流の拡散が促進されていることがわかる.

図7 ウェーブレット多重解像度解析

4.おわりに
 噴流拡散に関する研究の一環として,円管の先端に柔軟性のある人工セルロース製のフィンを装着し,流れの可視化,PIV解析,および,ウェーブレット多重解像度解析を行なった.その結果,フィンを装着することにより噴流拡散は促進され,そして,フィンが長くなると,その効果が大きくなること,ウェーブレット多重解像度解析の結果から噴流中に存在する大小,各規模の構造に変化が生じること,などが明らかになった.今後は,フィン幅を変化させた実験,および噴流に脈動を加えた実験なども行う予定でいる.

(参考文献)

(1) Zaman K. B. M., et al., Control of an axisymmetric jet using vortex generators, Physics of Fluids, Vol.6, No.2, February (1994) pp.778-793.
(2) Toyoda, K. and Mori, H ., Three Dimensional Vortical Structure and Mixing Mechanism of a Circular Jet, Journal of Visualization (2001), Vol.4, No.3 , pp.239-244.
(3) E. Gutmark, Aeroacoustics of Turbulent Jets : Flow Structure, Noise Sources, and Control, Jets, Wakes and Separated Flows, (2005), pp.35-44.
(4) 鈴木宏明,笠木伸英,鈴木雄二,フラップ型マイクロアクチュエータ群による軸対称噴流の能動制御,日本機械学会論文集(B編),65巻639号 (1999) , pp.3644-3651.
(5) 宮城徳誠 他4名, 二次フィルム流と音波による能動的な噴流制御の研究(励起したフィルム流によるエントレインメント量の変化), 日本機械学会論文集(B編),71巻712号 (2005) , pp.2870-2877.
(6) Kasagi, N., Toward Smart Control of Turbulent Jet Mixing and Combustion, Jets, Wakes and Separated Flows, (2005), pp.45-53.
(7) Private communication from E. Gutmark in University of Cincinnati.
(8) 山口信也,横田和彦,辻本良信,柔軟で薄いシートの高速気流中における挙動に関する研究(第1報,微小擾乱的挙動の理論的評価法),日本機械学会論文集(B編),65巻632号 (1999) pp.1224-1231.
(9) 杉野彰俊,日下穣,田地川勉,桜井篤,大場謙吉,一様水流中の柔軟な弾性膜に発生するフラッタリング",日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集, No.04-25 (2004) p.271.
更新日:2006.3.27