JP2003042893A - 超音速ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明の超音速ノズルの課題は、ノズル本体
に形成される境界層全体に亘って減少させて境界層形成
範囲全体に対応する気流の主流部の断面積を増大させて
出口から吹き出す気流に対する制御能力を高めることに
ある。 【解決手段】 気体が吹き込まれる入口１２と気体が吹
き出される出口１４との間に入口１２から吹き込まれた
気体の流れを絞るスロート１３を有するノズル本体１１
を備え、スロート１３の出口側湾曲点Ｎ１を通る直径線
Ｔ1と、出口１４の直径寸法Ｄと出口１４での気体のマ
ッハ数Ｍにより規定される特性線Ｐとノズル本体１１の
中心軸線Ｏとの交点Ｎ２を通る直径線Ｔ２に挟まれる範
囲Ｌにおけるノズル本体１１の周壁に、ノズル本体１１
の内周面に沿って生じる境界層Ｂの気体を吸い出す吸い
出し管３１〜３４が設けられ、この吸い出し管３１〜３
４には気体吸い出し用の送風機P１〜P４が接続されてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は風洞に用いる超音速
ノズルに関する。 【０００２】 【従来の技術】風洞において超音速の速度で気流を流す
ために用いられる超音速ノズルは、入口から吹き込んだ
気体をスロートで絞って音速を超える速度に高めて出口
から所定のマッハ数の速度で吹き出すものである。 【０００３】ところで、この超音速ノズルにおけるスロ
ートから出口に到る部分では、気体が流れる際に気体の
粘性の影響を受けて周壁内面に接近した領域に境界層が
発生し、この境界層はスロートの最小直径点を起点とし
て周壁内面に沿い下流側（出口側）へ行くに従い発達し
て厚さを増してゆく。このような境界層はその厚さに相
当する分だけノズル断面積を狭めることになり、この結
果ノズル内部を流れる気流の主流部（境界層を除いた部
分）の断面積を縮小してその速度（マッハ数）を制限し
ている。そして、気流のマッハ数を大きくすると境界層
の厚さも増大するので、ノズルの断面積も大きくする必
要がある。 【０００４】そこで、従来超音速ノズルでは、境界層を
吸込んで減少または除去することにより気流のマッハ数
を制御することが提案されている（特開平９−１４５５
３４号）。この内容は、図３に示すように入口２、スロ
ート３および出口４を有するノズル本体１における気体
流れ方向下流側端である出口４付近の周壁に隙間５を形
成し、ポンプ７の駆動によりノズル本体１の内部を流れ
る気体の一部を隙間５を通してノズル本体１の外側を囲
んで設けた外ケース６に流出させることにより、ノズル
本体１の周壁内面に沿って発生する境界層の発達を抑え
てノズル本体１を流れる気体の主流部の断面積を拡大す
るものである。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】この従来の超音速ノズ
ルは、ノズル本体１の気体流れ方向下流側端部である出
口４付近でノズル本体１内部における境界層の気体を吸
い出して境界層の発達を制限するようにしている。とこ
ろが、ノズル本体１では境界層はスロート３の最小直径
点を起点として周壁内面に沿い気体流れ方向下流側（出
口側）へ行くに従い厚さを増して発達する。このため、
ノズル本体１の出口４付近で境界層の気体を吸い出すと
いうことは、ノズル本体１のスロート３の最小直径点か
ら気体流れ方向下流側端の出口４までに亘って周壁内面
に沿って形成される境界層のうち、最も発達して厚くな
った下流側端部分のみの気体を吸い出して、それよりノ
ズル本体における気体流れ方向上流部であるスロート３
の最小直径点から出口４付近の手前までに形成される大
部分は吸い出さずそのままである。すなわち、ノズル本
体１で形成される境界層のうち気体流れ方向下流側端部
分のみが部分的に減少して、それより気体流れ方向上流
側の部分は減少しない。 【０００６】従って、ノズル本体１における境界層形成
範囲の一部を占める気体流れ方向下流側端部の範囲では
気体の主流部の断面積が増大するが、境界層形成範囲の
大部分を占めるスロート２の最小直径点から出口４付近
の手前までの気体流れ方向上流側の範囲では気体の主流
部の断面積を増大させることができず、この結果出口４
から吹き出す気流のマッハ数を増大する上で限界がある
とともに、マッハ数の制御が困難でノズル本体１の出口
から吹き出す気流に対する制御能力が低いという問題が
ある。 【０００７】本発明は、ノズル本体に形成される境界層
全体に亘って効果的に減少させて境界層形成範囲全体に
対応する気流の主流部の断面積を増大させて、ノズル本
体の出口から吹き出す気流に対する制御能力を高めた超
音速ノズルを提供する。 【０００８】 【課題を解決するための手段】請求項１の発明の超音速
ノズルは、気体が吹き込まれる入口と気体が吹き出され
る出口との間に前記入口から吹き込まれた気体の流れを
絞るスロートを有するノズル本体を備え、前記スロート
の出口側湾曲点を通る前記ノズル本体の直径線と、前記
出口の直径寸法と前記出口での気体の速度のマッハ数に
より規定される特性線と前記ノズル本体の中心軸線との
交点を通る前記ノズル本体の直径線とに挟まれる範囲に
おける前記ノズル本体の周壁に、前記ノズル本体の内部
の気体を吸い出す吸い出し部が設けられ、この吸い出し
部には気体吸い出し手段が接続されていることを特徴と
する。 【０００９】 【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について図
１および図２を参照して説明する。図１はこの実施の形
態における超音速ノズルを模式的に示す断面図である。
図１において１１はノズル本体で、このノズル本体１１
は一端（気体流れ方向上流側端）開口が気体が吹き込ま
れる入口１２とされ、この入口１２から気体流れ方向下
流側に位置して吹き込まれた気体を絞る鼓形をなすスロ
ート１３が形成され、他端（気体流れ方向下流側端）開
口は気体を吹き出す出口１４として形成されている。ノ
ズル本体１１の周壁は、スロート１３の出口側端（気体
流れ方向下流側端）からは外側へ膨らむようにして下流
側へ向かうに従い直径寸法が拡大するテーパ部として形
成され、さらにテーパ部として気体流れ方向下流側に連
続して軸線方向に沿い平行な直線部として出口１４まで
形成されている。 【００１０】このノズル本体１１には、スロート１３の
出口側湾曲点Ｎ１を通るノズル本体１１の直径線Ｔ１
と、出口１４の直径寸法Ｄと出口１４での気体の速度の
マッハ数Ｍにより規定される特性線Ｐとノズル本体１１
の中心軸線Ｏとの交点Ｎ２を通るノズル本体１１の直径
線Ｔ２とに挟まれる範囲Ｌにおけるノズル本体１１の周
壁に、ノズル本体１１の内部の気体、すなわちノズル本
体１１の周壁内周面に沿って生じる境界層Ｂの気体を吸
い出す吸い出し部が形成されており、この実施の形態で
は吸い出し部の一例として例えば４個の吸い出し管３１
〜３４がノズル本体軸線方向（気体流れ方向）に間隔を
存して設けられている。 【００１１】ここで、スロート１３の出口側湾曲点Ｎ１
は次に述べることである。スロート１３は鼓形をなすも
ので、軸線方向中央が最も小径で軸線方向両方の端部が
大径となるように凹入する円弧を描く周壁をもって形成
されている。このスロート１３における凹入する円弧を
なす周壁の出口側（気体流れ方向下流側）の端が、ノズ
ル本体１１の周壁において外周側へ向けて膨らむ円弧を
もって気体流れ方向下流側へゆくに従って直径を拡大す
るテーパ部に移行する点をスロート１３の出口側湾曲点
Ｎ１という。 【００１２】特性線Ｐは次のように表される。ノズル本
体１１の出口１４から吹き出される気体の速度における
最大のマッハ数Ｍと、このマッハ数Ｍに対応した大きさ
の出口１４の直径寸法Ｄを設定する。出口１４の周縁と
ノズル本体１１の周壁との交点を基点としてノズル本体
１１の周壁に対して角度θ＝ｓｉｎ^―１（１／Ｍ）をも
って気体流れ方向上流側へ向けて描かれる線が特性線Ｐ
である。ノズル本体１１の出口１4と、特性線Ｐとノズ
ル本体１１の中心軸線Ｏとの交点Ｎ２を通過する直径線
Ｔ２との間の距離Ｓは、Ｓ＝ｒ／ｔａｎ［ｓｉｎ
^―１（１／Ｍ）］で表される。なお、ｒは出口１４の半
径寸法２／Ｄである。 【００１３】ここで、吸い出し管３１〜３４を設ける範
囲Ｌの気体流れ方向上流側端をスロート１３の出口側湾
曲点Ｎ１とするのは、吸い出し管３１〜３４からノズル
本体１１の内部の気体を吸い出すことにより境界層Ｂを
減少させることが可能である気体流れ方向の上流側端で
あるからである。吸い出し管３１〜３４を設ける範囲Ｌ
の下流側端を特性線Ｐとノズル本体１１の中心軸線Ｏと
の交点Ｎ２とするのは、吸い出し管３１〜３４からノズ
ル本体１１の内部の気体を吸い出すことにより、交点Ｎ
２より下流側において形成される境界層Bを効果的に減
少できる気体流れ方向の下流側端であるからである。 【００１４】すなわち、吸い出し管３１〜３４を設ける
範囲Ｌは、境界層Bを吸い出すことによりノズル本体１
１に形成される境界層Ｂ全体を効果的に減少させて発達
を抑制できる範囲であるからである。 【００１５】図1に示すようにノズル本体１１の周壁に
４個の吸い出し管３１〜３４をノズル本体軸線方向（気
体流れ方向）に間隔を存して設ける構成の一例について
説明する。ノズル本体１１は上流部２１と、下流部２５
と、これら各部２１、２５で挟まれる複数の中流部２
２、２３、２４に分割され、これら各部２１〜２５は両
端が開口した円筒体をなすもので、互いに接続してノズ
ル本体１１が構成されている。上流部２１は入口１２お
よびスロート１３を構成するもので、その下流側端開口
はスロート１３の出口側湾曲点Ｎ１を通過する直径線Ｔ
１よりやや下流側に寄った位置である。下流部２５は周
壁が軸線方向に沿い平行な直線部分と出口１４とを含ん
でおり、上流側端開口は特性線Ｐとノズル本体１１の中
心軸線Ｏとの交点Ｎ２を通過する直径線Ｔ２より上流側
へ寄っている。複数の中流部２２、２３、２４は直径線
Ｔ１と直径線Ｔ２との間においてノズル本体１１の周壁
が下流側へ向かうに従い直径寸法が拡大するテーパ部を
形成するものである。 【００１６】これら各部２１〜２５の互いに対向する開
口端の縁部は例えば溶接が施されて気密に接合され、こ
れら各部２１〜２５の接合部には夫々複数個の連通孔２
６がノズル本体周方向に並べて形成されている。これら
連通孔２６はノズル本体１１の周壁を半径方向を貫通し
て形成され、ノズル本体１１の外部と内部とを互いに連
通している。ノズル本体１１の外側には、各部２１〜２
５の接合部に夫々対応して吸い出し部の一例である吸い
出し管３１〜３４が設けられている。これら吸い出し管
３１〜３４はノズル本体１１の周壁の外側周囲を囲む直
径を有する円形をなすもので、夫々例えば溶接が施され
てノズル本体１１の周壁の外周面に固着されている。 【００１７】そして、各部２１〜２５の接合部に対応し
て設けられた各吸い出し管３１〜３４は夫々に内周部に
周方向全体にわたりスリットが形成され、この各吸い出
し管３１〜３４の内周部のスリットが各部２１〜２５の
接合部に周方向に並べて形成された複数個の連通孔２６
を囲んでいる。すなわち、各吸い出し管３１〜３４のス
リットはノズル本体１１の各連通孔２６と連通してい
る。 【００１８】これにより各吸い出し管３１〜３４の内部
は連通孔２６を介してノズル本体１１の内部と連通して
いる。このため、各吸い出し管３１〜３４の内部に吸い
出し力を作用させると、この吸い出し力はノズル本体１
１の内部に作用して、ノズル本体１１の内部の流体（気
体および液体）を連通孔２６を介して各吸い出し管３１
〜３４の内部に吸い出すことができる。 【００１９】これら各吸い出し管３１〜３４は夫々バル
ブＶ１〜Ｖ４を介して対応する気体吸い出し手段の一例
である送風機Ｐ１〜Ｐ４に個別に接続されている。これ
ら送風機Ｐ１〜Ｐ４は制御回路Ｃにより個別に制御され
て駆動されるようになっている。 【００２０】また、ノズル本体１１の出口１４に対して
流体流れ方向下流側の個所にはノズル本体１１の中心軸
線上に位置して気体流速計４１が設けられている。この
気体流速計４１の計測信号は制御回路Ｃに出力されるよ
うになっている。 【００２１】このように構成された超音速ノズルの作用
について説明する。図示しない送風機により気体を加圧
して入口１２からノズル本体１１の内部へ吹き込む。吹
き込まれた気体はノズル本体１１のスロート１３を通過
した後その速度を音速を超えて所定のマッハ数の大きさ
まで高めて流れて出口１４から吹き出される。すなわ
ち、図２の線図に示すように気体がスロート１３の最小
直径点を通過すると速度が音速すなわちマッハ１に達
し、それ以降気体がノズル本体１のテーパ部に沿って流
れるのに従い速度が高まりノズル本体１１における出口
１４手前の直線部で目標のマッハ数に達して出口１４か
ら吹き出される。図２はノズル本体軸線方向長さとマッ
ハ数との関係を示す線図である。 【００２２】ノズル本体１１の内部では、スロート１３
の最小直径点を起点として気体流れ方向下流側（出口１
４側）へ向けて周壁内面に沿って境界層Ｂが形成され、
この境界層Ｂは下流側に向かうに従って発達して厚さを
増大する。 【００２３】ここで、制御回路Ｃにより各送風機Ｐ１〜
Ｐ４を駆動してノズル本体１１に設けた４個の吸い出し
管３１〜３４に対して吸い出し力を作用させる。この吸
い出し力は吸い出し管３１〜３４から各部２１〜２５の
接合部に形成された連通孔２６を介してノズル本体１１
の内部に作用する。これにより各吸い出し管３１〜３４
では、夫々ノズル本体１１の周壁内面において吸い出し
管３１〜３４が存在する個所の付近に形成される境界層
Ｂの気体を各部２１〜２５の接合部に形成された連通孔
２６を介して吸い出し、各送風機Ｐ１〜Ｐ４によって外
部へ吐き出す。この場合、各吸い出し管３１〜３４はノ
ズル本体１１の周方向全体を囲むものであり、且つ各部
２１〜２５の接合部に形成された複数の連通孔２６が並
べて形成されているので、ノズル本体１１の周壁内面に
形成される境界層Bの気体を周方向全体に亘って均一に
吸い出すことができ、且つ各吸い出し管３１〜３４は各
連通孔２６を介してノズル本体１１の内部から気体を吸
い出すのでノズル本体１１内部の気体の流れを損なうこ
とがない。 【００２４】そして、ノズル本体１１においてスロート
１３の出口側湾曲点Ｎ１を通るノズル本体１１の直径線
Ｔ１と、特性線Ｐとノズル本体１１の中心軸線Ｏとの交
点Ｎ２を通るノズル本体１１の直径線Ｔ２とに挟まれる
範囲Ｌにおけるノズル本体１１の周壁の内面に沿って形
成される境界層Ｂの気体が吸い出され、この範囲Ｌに形
成される境界層Ｂの厚さが減少する。 【００２５】このため、特性線Ｐとノズル本体１１の中
心軸線Ｏとの交点Ｎ２より下流側にあるノズル本体１１
の周壁の内面では範囲Lで規制された境界層Bが発達した
形態の境界層Bが形成され、この交点Ｎ２より下流側に
ある境界層Bの厚さは範囲Ｌで形成される境界層Bの厚さ
に規定される。すなわち、ノズル本体１１において気体
流れ方向上流部である範囲Lで境界層Bの発達を抑制する
ことにより、この範囲Lより下流部における境界層Bの発
達を抑制することができる。このようにノズル本体１１
の範囲Ｌにおいて形成される境界層Bの気体を吸い出す
ことにより、ノズル本体１１において形成される境界層
Bの気体流れ方向全体に亘り厚さを減少させて発達を抑
制することができる。そして、ノズル本体１１において
形成される境界層Bの気体流れ方向全体に亘り厚さを減
少させることにより、ノズル本体１１においてスロート
１３から出口１４まで流れる気体の主流部の断面積が増
大し、これに伴い出口１４から吹き出される気体の速度
も高くなってマッハ数も増大する。 【００２６】従って、ノズル本体１１の出口１４付近に
おける境界層Bの気体を吸い出す方式の従来の超音速ノ
ズルに対して、同じ大きさの出口直径寸法である場合は
出口１４から吹き出される気体の速度のマッハ数が増大
し、また出口１４から吹き出される気体の速度のマッハ
数が同じ大きさの値である場合にはノズル本体１１の直
径寸法を縮小できる。しかも、この実施の形態はノズル
本体１１の範囲Lに４個の吸い出し管３１〜３４を設け
て吸い出しを行なうので強力に境界層Bの気体を吸い出
すことができる。 【００２７】各吸い出し管３１〜３４は夫々送風機Ｐ１
〜Ｐ４を共通に制御して同じ吸い出し量で気体の吸い出
しを行なっても良く、また送風機Ｐ１〜Ｐ４を個別に独
立して制御して一部または夫々吸い出し量を異ならせて
気体の吸い出しを行なっても良い。 【００２８】さらに、この超音速ノズルでは、ノズル本
体１１の出口１４から吹き出される気体の速度を目標と
する所定のマッハ数を保持するように気体の流れを制御
する。ノズル本体１１の出口１４の外側において中心軸
線O上に設けられた気体流速計４１が、ノズル本体１１
の出口１４から吹き出される気体の速度すなわちマッハ
数を計測し、計測した情報を制御回路Cに出力する。制
御回路Ｃは気体流速計４１からの情報を受けて、ノズル
本体１１における気体の流れの速度が目標とするマッハ
数を保持しているか、否かを判断する。ノズル本体１１
における気体の流れの速度が目標とするマッハ数を保持
していない場合には、目標とするマッハ数を保持するた
めにノズル本体１で形成される境界層Ｂの厚さをどの程
度の大きさに制御することが必要かを算出し、算出した
境界層Ｂの制御すべき厚さを得るために各吸い出し管３
１〜３４がノズル本体１１の境界層Ｂの気体を吸い出す
量を算出する。制御回路Ｃはこの算出結果に基づいて各
送風機Ｐ１〜Ｐ４の駆動量を算出して、各送風機Ｐ１〜
Ｐ４の駆動を制御する。これにより各送風機Ｐ１〜Ｐ４
が駆動して各吸い出し管３１〜３４からノズル本体１１
の範囲Lで形成される境界層Ｂの気体を吸い出し、ノズ
ル本体１１全体における境界層Ｂの厚さを制御してノズ
ル本体１１を流れる気体の主流部の断面積を制御して出
口１４における気体の速度のマッハ数を維持する。 【００２９】例えば、ノズル本体１１の出口１４におけ
る気体の速度が目標とするマッハ数より高い場合には、
各吸い出し管３１〜３４から境界層Ｂの気体を吸い出す
量を減らして境界層Ｂの厚さを大きくしてマッハ数を抑
え、逆にノズル本体１１の出口１４における気体の速度
が目標とするマッハ数より低い場合には、各吸い出し管
３１〜３４から境界層Ｂの気体を吸い出す量を増やして
境界層Ｂの厚さを小さくしてマッハ数を高める。この作
業をシミュレーションで行い、実際の静圧と比較しなが
ら一様な出口気流となる吸い出し量を決める。 【００３０】各吸い出し管３１〜３４は夫々送風機Ｐ１
〜Ｐ４を共通に制御して同じ吸い出し量で気体の吸い出
しを行なっても良く、また送風機Ｐ１〜Ｐ４を個別に独
立して制御して夫々吸い出し量を異ならせて気体の吸い
出しを行なっても良い。 【００３１】このように各吸い出し管３１〜３４により
ノズル本体１１の範囲Ｌに形成される境界層Bの気体を
吸い出す量を制御することにより、ノズル本体１１にお
いて気体流れ方向上流部である範囲Lで境界層Bの発達を
制御して、ノズル本体１１において形成される境界層B
の気体流れ方向全体に亘り発達を制御することができ、
これによりノズル本体１１においてスロート１３から出
口１４まで流れる気体の主流部の断面積の大きさを制御
して、ノズル本体１１の出口１４から吹き出される気体
の速度、すなわちマッハ数を制御することができる。 【００３２】従って、ノズル本体１１の範囲Ｌにおいて
形成される境界層Bの気体を吸い出す量を制御すること
により、ノズル本体１１の出口１４から吹き出される気
体のマッハ数を必要とする大きさに容易且つ確実に制御
することができ、またノズル本体１１の出口１４から吹
き出される気体のマッハ数を広い範囲に亘って容易に制
御することができる。 【００３３】なお、本発明は前述した実施の形態に限定
されず、種々変形して実施することができる。例えばノ
ズル本体に設ける吸い出し部の構成およびその数は前述
した実施の形態に限定されない。例えば、吸い出し管を
ノズル本体から離して設け、これをソースを介してノズ
ル本体の連通孔に接続しても良い。また。吸い出し管を
ノズル本体に一体に形成しても良い。 【００３４】 【発明の効果】請求項１の発明の超音速ノズルによれ
ば、スロートの出口側湾曲点を通るノズル本体の直径線
と、出口の直径寸法と出口での気体のマッハ数により規
定される特性線とノズル本体の中心軸線との交点を通る
ノズル本体の直径線とに挟まれるノズル本体における周
壁に設けた吸い出し部により、ノズル本体の内周面に沿
って生じる境界層の気体を吸い出すので、ノズル本体の
出口付近における境界層の気体を吸い出す従来の方式の
超音速ノズルに対して、同じ大きさの出口直径寸法であ
る場合は出口から吹き出される気体の速度のマッハ数が
増大し、また出口から吹き出される気体の速度のマッハ
数が同じ大きさの値である場合にはノズル本体の直径寸
法を縮小できる。 【００３５】また、吸い出し部によりノズル本体の範囲
に形成される境界層の気体を吸い出す量を制御すること
により、ノズル本体内部を流れる気体の主流部の断面積
の大きさを制御して、ノズル本体の出口から吹き出され
る気体のマッハ数を必要とする大きさに容易且つ確実に
制御することができ、またノズル本体の出口から吹き出
される気体のマッハ数を広い範囲に亘って容易に制御す
ることができる。 【００３６】従って、本発明によればノズル本体の出口
から吹き出す気流に対する制御能力を高めた超音速ノズ
ルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の一実施の形態における超音速ノズルを
模式的に示す断面図。 【図２】同実施の形態の超音速ノズルにおける軸線方向
長さとマッハ数との関係を示す線図。 【図３】従来の形態における超音速ノズルを模式的に示
す断面図。 【符号の説明】 １１…ノズル本体 １２…入口 １３…スロート １４…出口 ３１〜３４…吸い出し管（吸い出し部） Ｐ１〜P４…送風機（吸い出し手段）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】 気体が吹き込まれる入口と気体が吹き出
   される出口との間に前記入口から吹き込まれた気体の流
   れを絞るスロートを有するノズル本体を備え、前記スロ
   ートの出口側湾曲点を通る前記ノズル本体の直径線と、
   前記出口の直径寸法と前記出口での気体の速度のマッハ
   数により規定される特性線と前記ノズル本体の中心軸線
   との交点を通る前記ノズル本体の直径線とに挟まれる範
   囲における前記ノズル本体の周壁に、前記ノズル本体の
   内部の気体を吸い出す吸い出し部が設けられ、この吸い
   出し部には気体吸い出し手段が接続されていることを特
   徴とする超音速ノズル。