分科会・研究会

P-SCD 339 噴流現象の基礎と先端的応用に関する研究分科会

主 査:社河内 敏彦 (三重大)

報 告 書

< はじめに >
本分科会の設置期間は2002年9月から2004年8月に設定されている.したがって,通常の年度期間に対し半期程度ずれているが,ここでは2003年度内で実施された活動内容についてのみ記載する.

< 本年度の活動内容および成果 >
   詳細は後述する.
   1.研究分科会の開催(計4回)
   2.オーガナイズドセッションの企画,実施(計3会議:国内2,海外1)
   3.国際会議(ICJWSF:2005年開催)の企画,準備
   4.その他(分科会委員の追加)

< 本年度の活動内容および成果(詳細) >
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   1.研究分科会の開催(計4回)
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委員からの話題提供に基づき,噴流の基礎ならびに先端的応用に関する調査研究を行った.
以下に各回の議事録(抜粋版)を記載する.(文中,配布資料番号は当分科会の資料の通し番号である.)


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<.第3回研究分科会(話題提供3件)>
   日 時:平成15年4月18日(金) 13:00〜17:00
   場 所:機械学会第3・第4会議室
  出席者:21名
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  「噴流,バーナ流れの乱流解析」 
  話題提供者:谷口伸行 先生(東京大学)
  内容
    a.乱流計算法の概説
    b.衝突噴流の構造解析
    c.同軸噴流のLES乱流解析
    d.燃焼乱流のモデル化

DNS,LESに関する乱流計算法の考え方から,講演者らによる多くの計算例が示された.衝突噴流の場合,いくつかの入り口擾乱モードが二次元,円形噴流のDNSに対して試されたが,両者を比較すると,衝突後の衝突壁面上に発達する渦構造に明確な違いを生じることが可視化結果からも明らかにされた.同軸噴流の場合において,入り口擾乱を変更する数値実験による検討結果から,実験により得られる基本モードと不安定モードを入り口擾乱に考慮することで,実験結果を定量的にも良好に再現する可能性の報告がされた.また,燃焼乱流計算の考え方が述べられ,水素拡散火炎噴流の結果について平均特性や火炎構造について渦構造の視点から現象の解説が行われた.質疑では実際の噴流と数値計算での擾乱の取り扱いや考え方について意見交換が行われた.
(配布資料)
No.3-3-1. NUMERICAL STUDY ON THE DIFFERENCE OF THE EDDY STRUCTURES
       BETWEEN PLANE AND ROUND IMPINGING JETS(A4 10p)
No.3-3-2. LESにおける流入変動の影響の評価 (A4 16p相当)
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「噴流の可視化」
  話題提供者:池田敏彦 先生(信州大学)
  内容
     a.発達噴流の可視化について     
     b.脈動噴流の可視化について
 
  くさび型物体に噴流を衝突させて,その際生じる発振現象について振動周波数と流れパターンから現象の解説があった.また,圧力のフィードバック機構に基づいた視点から,a)遮蔽板をくさび型物体と噴流間に設置した場合,b)渦放出の非一様性を高めフィードバック効果を弱めることを期待してノズル出口に突起を配置した場合,c)エントレイメントを抑制するためノズル出口近傍に側壁を設けた場合のそれぞれについて実験を行い,可視化結果等から発振特性の変調に関する多くの知見が示された.また,脈動噴流の場合,三種類のノズルについて,水素気泡法を用いた可視化結果から放出渦の構造形成の様子や下流側への移行に対する違いが示された.質疑では講演者自身から提議された,脈動時の噴出口近傍に形成される特異な3次元的流れ構造について話題となり,議論された.
(配布資料)
No.3-4-1. 機論「エッジ音の低減化に関する一考察」
No.3-4-2. 可視化情報「脈動噴流に関する研究(第3報 渦の挙動に及ぼす噴出口形状の影響)
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  「High velocity water jets in air and submerged environments」
  話題提供者:清水誠二 先生(広島工業大学)
  内容
     a.Water jetの分類
     b.Plain water jet
     c.Abrasive water suspension jets

 ウォータジェートの分類に関する丁寧な解説のあと,空気中あるいは水中にウォータジェットを放出した場合,またそれぞれにおいて研磨剤を噴流に含ませた場合の4種類の場合について,衝突間距離に対して整理された実験結果を中心に加工特性の解説があった.通常,水中に噴流が放出される場合,高せん断層領域でのキャビテーション発生が基本的に不可避であること,さらにこのキャビテーションの発生の結果,噴流速度の減衰する過程が緩和されること,キャビテーションエロージョンの発生,液滴あるいは液塊の加工面への断続的な衝突の発生など,キャビテーションに伴う特徴的な性質が明らかにされた.質疑ではリング状の加工面特性やキャビテーション効果による噴流の減衰特性,ウォータジジェットの実用例についての情報交換が行われた.
配布資料
No.3-5.  High velocity water jets in air and submerged environments (A4 9p)
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<.第4回研究分科会(話題提供3件)>
  日 時:平成15年8月5日(火) 13:00〜17:30
  場 所:徳島大学工学部機械工学科
  出席者:29名
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  「壁面噴流の縦渦による操縦と渦力学」
  話題提供者:望月信介 先生(山口大学)
  内容
     a.制御・操縦の定義
     b.壁面噴流の縦渦による操縦
     c.周期的変動を導入した操縦

  制御・操縦についての定義の説明から,壁面噴流場におけるエントレイメントの促進ならびに複雑乱流場での応力・歪関係のデータの取得のために,壁面噴流と縦渦を干渉させた流れ場について調べた結果が示された.操縦には,あらかじめ壁面噴流において自己保存的となる流れ場をつくり,その領域で壁面上に内層厚さに相当するデルタ翼を配置し下流側に生じる放出渦により縦渦を形成する方法が採られた.詳細な実験データからレイノルズ応力や渦力学に関する特性が明らかにされた.さらに翼の迎え角を周期的に変化させ操縦した場合についての評価が行われた結果,エントレイメントの増加など期待する効果は得られなかったが,壁近くに高運動量を保持するなどの操縦特性が見出された.質疑では渦発生に関する話題を中心に情報交換が行われた.
(配布資料)
No.4-4. REYNOLDS STRESS FIELD OF A STRONGER WALL JET MANAGED BY A
      STREAMWISE VORTEX (EFFECT OF PERIODIC PERTURBATION)(A4 6p)
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  「複合旋回噴流とその応用技術」
  話題提供者:野崎 勉 先生(鹿児島大学)
              
  高性能push-pull型ベンチレータならびに,その基本技術である円形自由噴流の周囲に旋回流を加えた複合噴流についての説明があった.採用された高いスワール数の旋回流は周囲への強い拡散と同時に噴出方向には減衰が早いこと,一方,旋回流と比較して円形自由噴流はエントレイメントは弱いが噴出方向への減衰は緩やかであることなど,要素ごとの基本特性についての説明があった.また,流量比を変化させた複合噴流についてもそれぞれの噴流要素ごとの可視化結果が示され,性質の相反する両者の組み合わせにより拡散が制御できること,同時に複合化による高いエントレイメント量が実現できることなどの効果が定量的に明らかにされた. 質疑では旋回流と自由噴流の干渉の視点からの議論が活発に行われた.
(配布資料)
No.4-5. EXPERIMENTAL STUDY ON COMPOUND SWIRL JET (A4 7p)
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「対向衝突噴流からみた噴流の特性」
  話題提供者:小川信夫 先生(東京理科大学)
  内容
     a.対向衝突噴流の衝突面位置の非定常性について
     b.導波管によるノズル中心軸付近を励起した場合の特性について
     c.一様流に対向する噴流の拡散の特性について
 
  円形噴流を対向衝突させた場合の衝突面位置の非定常性について説明があった.噴流中心軸上の乱れと圧力の関係式の導出とその妥当性について検証され,中心軸近傍の乱れが衝突面位置の決定因子の一つであること,またその乱れを作る手段は導波管やアーク放電でも可能であることが明らかにされた.単独円形噴流のノズル出口付近を導波管により励起した場合について調べられた結果,局所的な励起にも関わらず場全体の流れ場の構造に影響の及ぶことが確かめられた.一様流に対向する噴流についても,再循環領域が発達するのではなく混合層が支配的である流動モデルの提案と実験的に検証された結果が報告された.またカオス指標であるリアプノフ指数からもこの流れの混合特性が評価された.質疑では衝突面特性を中心に情報交換が行われた.
(配布資料)
No.4-6-1. TURBULENT OPPOSED JET
No.4-6-2. Control of Jets by Fluctuating Components (Control by Turbulence in the Jet Center)
No.4-6-3. 一様流に対向する噴流の拡散
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<.第5回研究分科会(話題提供3件)>
  日 時:平成15年10月31日(金) 13:00〜17:20 
  場 所:稲盛会館中会議室(鹿児島大学:郡元キャンパス)
  出席者:12名
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  「フリップフロップノズル噴流の自励振動」
  話題提供者:高曽 徹 先生(九州大学)
  内容
     a.フリップフロップノズルの原理
     b.フリップフロップノズル噴流の特性
     c.フリップフロップノズル噴流の応用

 二次元噴流ノズル出口に流体素子(ループ状の空間:連結ダクト)を設置することで強い自励振動現象を起こすフリップフロップノズル噴流の歴史/動作原理の説明があった.スペクトル解析やアンサンブル平均された速度・圧力データを整理した結果,非定常特性が定量的に示された.この噴流の軸と直交する方向の自励振動の要因について検討された. その結果,ノズル出口の運動量保存式から噴流の曲がりの要因が噴流横断方向の圧力差によること,またその圧力差の発生は噴流自身のエントレイメントによるアンバランスな負圧領域の形成が原因であること,この圧力差がループ内に流れを誘起し噴流の振動原因となることが明らかされた.自励振動の振動数の決定因子についても,噴流噴出速度や非定常管路方程式からダクト長さについて考察された結果が示された.最後に応用例(エアーシャワー,衝突噴流,水噴流,燃焼器)の紹介があった.質疑では流体素子の視点から,圧力のフィードバック機構に関する話題を中心に情報交換が行われた.
(配布資料)
No.5-4-1. 講演用Power point原稿写し(A4 8p)
No.5-4-2. Flow Mechanism of a Self-Induced Oscillating Jet Issued from
      a Flip-Flop Jet Nozzle (A4 6p)
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  「特殊ノズルからの自由及び衝突噴流」
  話題提供者:社河内 敏彦 先生(三重大学)
  内容
     a.共鳴噴流の流動特性と制御
     b.切り欠きノズルからの噴流の流動・伝熱制御

 オリフィスの直後に共鳴室を設け,さらに二番目のオリフィスを装着しそれらを一体化した共鳴ノズルの説明があった.共鳴自由噴流あるいはこれを壁面に至近距離衝突させた衝突噴流のそれぞれについて,共鳴容積,絞り面積比の流動抵抗特性に対する影響が調べられた.共鳴ノズルでは最初のオリフィスからの放出渦と下流側オリフィスからの大規模渦との干渉の結果,ノズル出口直後から半径方向の中心線速度の減衰の大きい広がった噴流となること,共鳴容積と噴流の卓越周波数,流動損失の関係についても結果が示された.特に流動損失が最小となるパラメータの存在することが明らかにされたが,その原因に対する流れ構造からの考察は今後の課題とされた.このノズルによる衝突噴流はパイプノズルと比べても流動損失に関し高い性能を持つことが示された.さら別の特殊ノズルとして,パイプノズル出口の周方向に4箇所の切欠きを設けたノズルからの衝突噴流の伝熱特性について調べた結果が示された.その特性として至近距離では伝熱特性が改善されかつ通常の円形ノズルに比べ流動抵抗の小さくなることが明らかにされた.質疑では特に共鳴ノズル内に関する渦構造特性が議論の中心となった.
(配布資料)
No.5-5-1. 機論「共鳴噴流のかく乱の増幅・制御」
No.5-5-2. HEAT TRANSFER ENHANCEMENT OF IMPINGING JET WITH LOW
        NOZZLE-TO-PLATE SPACING BY NOTCHED NOZZLE (A4 5p)
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  「各種噴流の可視化」
  話題提供者:中島 正弘 先生(鹿児島高専)
  内容
      a.これまで行ってきた噴流研究の紹介
      b.円筒壁面上を軸方向に流出する円形噴流について
      c.回転する傾斜切断面をもつ円管から流出する噴流の特性について

 はじめにこれまでの講演者の研究である,平行平板間に自由噴流を注入した拘束噴流,ツインスワール型掃除機の開発,渦室発振素子からの散水についての紹介があった.次に円筒面上を軸方向に流出する円形噴流の場合について,PIV法により測定された流れと直交する断面内の速度,渦度分布の詳細な特性が示された.噴流出口から離れた円筒面上では流れ方向に軸を持つ大規模な旋回渦が発生し,これが円筒面上を円筒の周方向を揺動しながら下流へ移動する非定常特性がウェーブレット信号解析や可視化結果から明らかにされた.また円筒の曲率の影響についても調べられた.円管の先端を斜めにカットした傾斜切断面をもつ円管について,自軸回転の有無によるそれぞれの場合の噴流特性について示された.多重ウェーブレット解析を用い大規模構造が抽出された結果,傾斜円管自体の効果で噴流幅が広がり,自軸回転させると噴流外縁で形成される縦渦の数やスケールがわずかに大きくなるなどの構造変調が明らかにされた. また,上記内容に関する質疑に加え,円管出口に柔らかい'ひれ'を装着した場合の紹介も簡単にあった.
(配布資料)
No.5-6-1. 機論「各種パネル面除じん用流体発振形散水器の特性」
No.5-6-2. 可視化情報「流体発振形冷却装置の開発(流れと冷却過程 の可視化)」
No.5-6-3. WAVELET MULTI-RESOLUTION IMAGE ANALYSIS ON AJET ISSUING
     FROM ROTATING INCLINED SECTION (A4 6p)
No.5-6-4. 可視化情報「円筒壁面上を軸方向に流出する円形噴流」
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  <.第6回研究分科会(話題提供3件)>
  日 時:平成16年2月6日(金) 13:00〜17:30 
  場 所:大阪市立大学 文化交流センター 大セミナー室
  出席者:14名
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  「噴流の多点測定について」
  話題提供者:井上 吉弘 先生(岐阜大学)
  内容
     a.これまでの研究例の紹介
     b.円形自由噴流の超音波測定
     c.平面壁面噴流の多点測定
     d.三次元壁面噴流の可視化

 これまで行った研究である,対向流中の壁面噴流,リブレット面上での壁面噴流,壁面噴流角部剥離流れのそれぞれの場合の計測方法,計測結果の簡単な紹介があった.超音波をパケット状に放射し,内部粒子からの反射波を計測する超音波測定法の原理と測定法,特徴に関する説明があった.この方法を正方形,円形自由噴流のそれぞれに適用した結果が示され,計測上の留意点や計測方法の可能性についても詳説された.また計測データをWavelet変換やPOD法により処理し,主要モード特性について評価した結果が示された.平面壁面噴流の構造特性については,可視化や櫛状に熱線を多数配置した同時多点計測を行った結果が示され,この流れ場におけるモード特性について言及された.三次元壁面噴流の場合,可視化結果のみ示され,多点計測を含めた詳細な解析は今後の課題とされた.質疑では超音波測定法等,計測技術に関する話題を中心に議論が行われた.
(配布資料)
No.6-4.  講演論文集原稿(3件分)(A4 8p)
          平面壁面噴流に関する実験的研究,三次元壁面噴流に関する実験的研究
          円形自由噴流変動速度場の超音波速度計による測定
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   「噴流の流動特性を活かした伝熱・混合の制御について」
   話題提供者:中部 主敬 先生(大阪府立大学)
   内容
      a.衝突噴流の概説
      b.Whistlerノズルによる壁面伝熱制御
      c.傾斜噴流による壁面伝熱制御
      d.多重噴流による混合制御

 衝突噴流の流れ場について簡単な説明があった.衝突面の伝熱性能を改善するため,ノズル先端周囲にカラー部(パイプノズル)を取り付けたWhistlerノズルを取り上げ,このノズルにより自励振動させた場合の噴流の可視化結果,発生音のスペクトルが示された.この噴流を壁面に衝突させた場合,発振により衝突中心の流動特性が大きく変化し,改善されることが示された.また伝熱面とノズル位置の関係について調べた結果,発振の効果は,発振しない場合を至近距離衝突させたことと等価であることが明らかにされた.ガスタービンの翼冷却における局所伝熱特性を改善するため,衝突面に対し傾斜した衝突噴流に横断流れが加わった流れ場について検討し,その結果,横断流れ方向に軸を持つ一対の縦渦が形成され,この大規模縦渦により伝熱促進が図られることが明らかにされた.さらに傾斜噴流が二つ並んだ場合の噴流間干渉についても,噴流の配置の違いが及ぼす影響について示された.マイクロガスタービンでの高い混合性能を有する燃焼器の開発のため,燃料噴流の周囲に複数の空気噴流が噴出する場合について検討し,その結果,複数化により効果的に混合が行われること,また,相互に干渉する噴流について,音励起の場合の分岐現象や間欠的噴射の場合の可視化結果についても簡単に紹介があった.
(配布資料
No.6-5. 本講演用Power point原稿の写し(A4 11p)
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「放射状自由液膜流れの内在的不安定性と微粒化」
  話題提供者:脇本 辰郎(大阪市立大学)
  内容
     a.放射状液膜噴流の流れ特性
     b.液膜の計測法と線形安定性解析
     c.D波の形成と特性について

 円形ノズル出口に垂直に円盤を設置し,液体を噴出させる放射状液膜噴流の流れの説明があった.円盤状の周囲では充分発達した境界層が円盤から放出され,混合層型の不安定が起こること,下流では滑らかな液膜,しわ上の波(D波),周期的な波,3次元化による筋状の変動から粒状の流体塊の発生と同時にそれらの間に薄い液膜ができ,特に薄い部分から微粒化が起こることを詳説された.これまで微粒化現象は,気液間の密度差と速度差が原因となるK-H型界面の不安定が支配的で,それに関連して安定性解析等が行われてきたことなど,過去の研究の背景について説明があった.講演者は液膜内部で起こる内部不安定が液膜のパターン形成に寄与するとの新た解釈を提唱し,その妥当性を検証するため,D波の形成過程について詳細に調べた結果を示された.表面張力の効果を考慮したオアゾンマフェルト方程式による線形安定解析,開発されたLIF法による液膜断面厚さやレーザ反射法による周波数測定が行われた結果,D波の発生が内在的不安定により生じていることを明らかにした.また,D波と筋状構造の形成の関係を調べるため,超音波により励起し,レイノルズ数についても変化させ,D波の特性変化について調べられた.その結果,励起により周波数,波長,振幅は安定性理論の結果とよく一致することから,内在的不安定性によりD波が形成されていることをさらに確信する結果が示された.質疑では安定性解析結果と実験結果との関係,表面張力に関連した微粒化の過程についての情報交換が行われた.
(配布資料)
No.6-6-1. 機論「放射状自由液膜流の乱流遷移による微粒化に関する研究」
No.6-6-2. 機論「乱流遷移による放射状自由液膜流のせん孔現象」
No.6-6-3. 機論「放射状自由液膜流の不安定性に関する研究」

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   2.オーガナイズドセッションの企画,実施(計3会議:国内2,海外1)
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     国内外の学術会議においてオガナイズドセッションを企画し,実行した.

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      <4thASME/JSME Joint Fluids engineering Conference/ 第4回日米流体工学会議>
          開催日:2003年7月6日〜10日 
          開催地:ハワイ,ワイキキ・シェラトンホテル
          オーガナイザ:社河内敏彦,望月修,他1名
              20件(JSME側15件,ASME側5件)の講演を受け付け,4セッション開催した.
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      <2003年度 年次大会>
          開催日:2003年8月5日〜8日 
          開催地:徳島大学
          オーガナイズドセッション: 「噴流,せん断流の特性と先端的応用」
          オーガナイザ:社河内敏彦,豊田国昭,他1名
               24件の申し込みを受け付け,5セッション開催した.
               また,谷口(東大)先生によるキーノートレクチャーへの推薦,
               実施を行った.
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     <流体工学部門講演会>
          開催日:2003年9月19日〜20日 
          開催地:徳島大学
          オーガナイズドセッション: 「噴流の制御と応用」
          オーガナイザ:豊田国昭,社河内敏彦,他1名
               11件の申し込みを受け付け,2セッション開催した.
         

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   3..国際会議(ICJWSF:2005年開催)の企画,準備
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      当分科会を中心に国際会議について実施計画が検討され,下記の内容が
     決定された.すでに本会議のためのホームページが立ち上げられている.
    (2003,3現在) スケージュール等を含めた詳細についてはホームページ
     をご覧いただきたい.(http://www.ees.mach.mie-u.ac.jp/ICJWSF/)
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       会議名:ICJWSF-2005
             (INTERNATIONAL CONFERENCE ON JETS, WAKES
              AND SEPARATED FLOWS)
        場所:三重県文化センタ(三重県津市)
期間:2005年 10月5日(水)- 7日(金)
  後援:日本機械学会
協賛: 三重大学/三重県/日本流体力学会/日本航空宇宙学会
   日本混相流学会/日本可視化情報学会       
           ドイツ プロセス工学・化学工学学会
        対象及び参加予定人員
            国内外から100名程度の参加者を予定
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        なお,会議委員は当分科会委員を中心に組織されている.  
 

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4.その他(分科会委員の追加)
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     当初計画に加えてさらに多岐にわたる調査研究の要望ならびに必要性から,
    当初委員(24名)に新委員(11名)の追加があった.
    新旧含めた現時点での委員名は以下のとおりである.

   --------委員名簿(五十音順,敬称略,2003年度末現在)---------------
主査:社河内 敏彦(三重大)
幹事:辻本 公一 (三重大)                
委員:安達 昭夫((株)富士電機) 池田 敏彦(信州大)   井口 学 (北大 )
    一宮 浩市(山梨大)   井上 吉弘(岐阜大)   今尾 茂樹(岐阜大)
     内山 知実(名大 )   梅田眞三郎(福山大)   小川 信夫(東理大)
     木綿 隆弘(金沢大)   高曽 徹 (九大 )   清水 誠二(広工大)
    鈴木 雄二(東大 )   関下 信正(豊橋技科大) 高杉 信秀((株)スギノマシン)
    谷口 伸行(東大 )   豊田 国昭(北工大)   中島 正弘(鹿児島高専)
    中部 主敬(大府大)   奈良林 直((株)東芝)  野崎 勉 (鹿大)
    菱田 公一(慶應大)   檜原 秀樹(愛媛大)   桧和田 宗彦(岐阜大)
    前川 博 (広島大)  宮田 勝文(山梨大)   村松 旦典(日大)
    望月 修 (東洋大)   望月 信介(山口大)   山下 新太郎(岐阜大)
    湯 晋一 (九工大)   脇本 辰郎(大市大)   安藤 俊剛(三重大)
     計35名
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更新日:2004.4.7