JP2008014458A

JP2008014458A - 超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置

Info

Publication number: JP2008014458A
Application number: JP2006188245A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Matsuo; 松尾　　繁; Toshiaki Setoguchi; 俊明瀬戸口
Original assignee: Saga University NUC
Current assignee: Saga University NUC
Priority date: 2006-07-07
Filing date: 2006-07-07
Publication date: 2008-01-24
Anticipated expiration: 2026-07-07
Also published as: JP4982846B2

Abstract

【課題】簡単な構成で、且つ様々な条件下においてもキャビティ内の圧力変動を抑制することにより、抗力や騒音の低減を図るとともに機器の振動や破壊を防ぐことが可能な超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置を提供する。
【解決手段】主管２０に直交するように形成されたキャビティ１０に、キャビティ１０後縁で生じた衝撃波がキャビティ１０内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱める緩衝手段３０を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音速キャビティ内の圧力変動を低減化する装置に関する。

超音速キャビティ流れの特徴は、キャビティ周りにおいて衝撃波（圧縮波）、膨張波、およびせん断層が相互に干渉し、流速や圧力が周期的に変動する自励振動が生じることである。その結果、抗力や騒音の増加の原因となり、機器の振動や破壊にもつながるおそれがある。

そこで、これまでにキャビティ流れにおける圧力変動の抑制を対象として、パッシブコントロールに関する研究が実験的、解析的に行われており、例えば、キャビティ前縁と後縁角部に設けられた傾斜壁や、キャビティよりも上流側に設置した渦発生器やスポイラーがキャビティ流れにおける圧力変動の抑制に効果的であることが知られている。

また、例えば、キャビティ内の流体と主管内を流れる流体との界面にできる渦によって生じる励振周波数を乱すために、キャビティの開口部近傍位置に減音板を設け、これにより共鳴音の発生を防ぐ方法も知られている（特許文献１、参照。）。

特開平７−３０１３８６号公報

上述したように、キャビティよりも上流側に渦発生器やスポイラーなどの装置を設置することにより、キャビティ流れにおける圧力変動の抑制が効果的になされるが、このような装置を付加することは、構造の複雑化を招くためあまり有効な方法ではなく、また、ある一定条件の下でしか有効に機能しないなどの問題もある。
そこで本発明は、簡単な構成で、且つ様々な条件下においてもキャビティ内の圧力変動を抑制することにより、抗力や騒音の低減を図るとともに機器の振動や破壊を防ぐことが可能な超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、キャビティ内の圧力変動は、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波により引き起こされることを見出し、本発明を想到するに至った。

すなわち、本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置は、流体が流れる壁面に形成されたキャビティに、キャビティ後縁で生じた衝撃波が前記キャビティ内を上流側へ伝播した際に前記キャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱める緩衝手段を備えたことを特徴とする。

キャビティ後縁で生じた衝撃波（圧縮波）がキャビティ内を上流側へ伝播し、キャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波と、キャビティ前縁角部からのせん断層が干渉することにより、せん断層に大きな変動が生じる。このせん断層の変動が圧力変動の原因となるが、キャビティ内に反射衝撃波の強さを弱める緩衝手段を備えたことにより、反射衝撃波の強さが弱められ、せん断層の変動が抑えられるので、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置の緩衝手段は、キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材であることを特徴とする。

上記構成を備えたことにより、緩衝手段である庇部材が、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱めるので、せん断層の変動が抑えられ、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

また、本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置の緩衝手段は、キャビティの前縁側角部に、流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、キャビティの深さ方向に複数の孔が設けられ、キャビティの底部から庇部材の先端近傍に向かって、流体の流れ方向と直交するように配置された多孔壁部材とからなることを特徴とする。

上記構成を備えたことにより、緩衝手段である庇部材と多孔壁部材とが、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱めるので、せん断層の変動が抑えられ、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

また、本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置の緩衝手段は、キャビティの前縁側角部に、流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、キャビティの底部前縁側に設けられた段差部とからなることを特徴とする。

上記構成を備えたことにより、緩衝手段である庇部材と段差部とが、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱めるので、せん断層の変動が抑えられ、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

また、本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置の緩衝手段は、キャビティの前縁側角部に、流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、キャビティの底部から、流体の流れ方向と直交する方向に設けられた壁部材とからなることを特徴とする。

上記構成を備えたことにより、緩衝手段である庇部材と壁部材とが、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱めるので、せん断層の変動が抑えられ、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

また、本発明の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置の緩衝手段は、キャビティの前縁側角部に、流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、キャビティの前縁側側面に形成された曲面とからなることを特徴とする。

上記構成を備えたことにより、緩衝手段である庇部材とキャビティの前縁側側面に形成された曲面とで、キャビティ後縁で生じた衝撃波がキャビティ内を上流側へ伝播した際にキャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱めるので、せん断層の変動が抑えられ、キャビティ内の圧力変動を低減することができる。

本発明によれば、緩衝手段により反射衝撃波の強さが弱められることにより、別途渦発生器やスポイラーなどの余分な装置を追加することなく、簡単な構成で、且つ様々な条件下においてもキャビティ内の圧力変動を低減することができるので、キャビティ周りの抗力や騒音の低減を図るとともに、機器の振動や破壊を防ぐことが可能な超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態においては、主管を流れる流体のキャビティ内圧力変動の低減化装置について説明する。図１は、本発明の実施の形態における主管とキャビティの位置関係を示す図である。

図１に示すように、本実施の形態におけるキャビティ１０は、長さＷ、深さＤのキャビティであり、主管２０のスロート２１から一定距離離れた位置に、深さ方向が主管２０に直交するように形成されている。

キャビティ１０には、キャビティ１０内の圧力変動を抑制するための緩衝手段３０（図２〜図６、参照。）が備えられており、この緩衝手段３０は、キャビティ１０後縁で生じた衝撃波がキャビティ１０内を上流側へ伝播した際に、キャビティ前縁側側面１０３（図７、参照。）で反射した反射衝撃波の強さを弱める手段としてそれぞれ設けられている。この緩衝手段３０の大きさや形状については、主管２０内を流れる高速流体Ｍについて、数式（１）に示す非定常二次元圧縮性ナビエストークス方程式に基づく数値計算によりそれぞれ求まる。

ここで、ｐ₀（よどみ点圧力）＝１０１．３ｋＰａ、Ｔ₀（よどみ点温度）＝２９８．１５Ｋ、Ｗ／Ｄ＝１．０である。なお、乱流モデルには、乱流エネルギーの生成項にリミター関数を導入した修正ｋ−Ｒモデルを採用する。計算は、よどみ点における物理量で無次元化を行い、一般曲線座標系表示された支配方程式を用いるとともに、対流項にはＲｏｅの近似Ｒｉｅｍａｎｎ解法を応用した空間三次精度ＭＵＳＣＬ型有限差分ＴＶＤスキームを適用する。また、粘性項は二次精度中心差分で評価し、時間差分には二次精度の時間分割法を用いる。

以下、緩衝手段３０について実施例１〜５に示す。実施例１〜５では、図１に示すように、キャビティ１０は、スロート高さｈ^*が１５．８ｍｍで、キャビティ１０入口部における流路高さＨは２４ｍｍ（その範囲は、キャビティ１０の上・下流それぞれ５Ｗ）である。また、キャビティの長さＷおよび深さＤはともに１２ｍｍとした。

（実施例１）
図２（ａ）に示すように、実施例１における緩衝手段３０は、キャビティ１０の前縁側角部１０１に、主管２０を流れる流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材１１である。庇部材１１の長さをＬ、厚さをｔ₁とし、数式（１）により計算を行った結果、Ｌ／Ｄ＝０．１２５〜０．２５、ｔ₁／Ｄ＝０．０５〜０．２の範囲において、図２（ｂ）に示すように、観測点Ａにおける圧力変動が微少であることがわかった。これは、図７（ａ）に示す緩衝手段３０を設けないキャビティ１０に対して、観測点Ｓにおける圧力変動を計算した結果（図７（ｂ）、参照。）との比較でもわかるように、キャビティ１０内に緩衝手段３０として庇部材１１を設けることで、キャビティ１０内の圧力変動が大幅に低減されており、本実施例における緩衝手段３０の有効性が示された。

（実施例２）
図３（ａ）に示すように、実施例２における緩衝手段３０は、実施例１と同様の庇部材１１と、キャビティ１０の深さ方向に複数の孔１２１が設けられ、キャビティ１０の底部から庇部材１１の先端近傍に向かって、主管２０を流れる流体の流れ方向と直交するように配置された多孔壁部材１２とからなる。多孔壁部材１２において、キャビティ１０の底部から最初の孔１２１までの高さは庇部材１１の厚さｔ₁と同じである。また、多孔壁部材１２の厚みをｔ₂、孔１２１の高さをＴ₁、孔１２１と孔１２１の間隔をＴ₂とし、さらに、孔１２１の総面積と多孔壁部材１２全体の面積との比を空隙率Ｐとし、数式（１）により計算を行った結果、Ｐ＝０．２〜０．６、Ｌ／Ｄ＝０．１５〜０．２５、Ｔ₁／Ｄ＝０．０５〜０．１、Ｔ₂／Ｄ＝０．０５〜０．１、ｔ₁／Ｄ＝０．０５、ｔ₂／Ｄ＝０．０５の範囲において、図３（ｂ）に示すように、観測点Ｂにおける圧力変動が微少であることがわかった。これは、図７（ａ）に示す緩衝手段３０を設けないキャビティ１０に対して、観測点Ｓにおける圧力変動を計算した結果（図７（ｂ）、参照。）との比較でもわかるように、キャビティ１０内に緩衝手段３０として、庇部材１１と多孔壁部材１２とを設けることで、キャビティ１０内の圧力変動が大幅に低減されており、本実施例における緩衝手段３０の有効性が示された。

（実施例３）
図４（ａ）に示すように、実施例３における緩衝手段３０は、実施例１と同様の庇部材１１と、キャビティの底部前縁側に設けられた段差部１３とからなる。段差部１３の上面からキャビティ１０の開口部までの高さをＴとし、数式（１）により計算を行った結果、Ｌ／Ｄ＝０．２５、ｔ₁／Ｄ＝０．０５、Ｔ／Ｄ＝０．２５〜１．０の範囲において、図４（ｂ）に示すように、観測点Ｃにおける圧力変動が微少であることがわかった。これは、図７（ａ）に示す緩衝手段３０を設けないキャビティ１０に対して、観測点Ｓにおける圧力変動を計算した結果（図７（ｂ）、参照。）との比較でもわかるように、キャビティ１０内に緩衝手段３０として、庇部材１１と段差部１３とを設けることで、キャビティ１０内の圧力変動が大幅に低減されており、本実施例における緩衝手段３０の有効性が示された。

（実施例４）
図５（ａ）に示すように、実施例４における緩衝手段３０は、実施例１と同様の庇部材１１と、キャビティ１０の底部から、主管２０を流れる流体の流れ方向と直交する方向に設けられた壁部材１４とからなる。壁部材の先端からキャビティ１０の開口部までの高さをＴ、壁部材１４の厚みをｔ₂とし、数式（１）により計算を行った結果、Ｌ／Ｄ＝０．２５、ｔ₁／Ｄ＝０．０５、Ｔ／Ｄ＝０．５〜１．０、ｔ₂／Ｄ＝０．０５の範囲において、図５（ｂ）に示すように、観測点Ｄにおける圧力変動が微少であることがわかった。これは、図７（ａ）に示す緩衝手段３０を設けないキャビティ１０に対して、観測点Ｓにおける圧力変動を計算した結果（図７（ｂ）、参照。）との比較でもわかるように、キャビティ１０内に緩衝手段３０として、庇部材１１と壁部材１４とを設けることで、キャビティ１０内の圧力変動が大幅に低減されており、本実施例における緩衝手段３０の有効性が示された。

（実施例５）
図６（ａ）に示すように、実施例５における緩衝手段３０は、実施例１と同様の庇部材１１と、キャビティ１０の前縁側側面に形成された曲面１５とからなる。曲面１５の曲率をＲとし、数式（１）により計算を行った結果、Ｌ／Ｄ＝０．２５、ｔ₁／Ｄ＝０．０５、Ｒ／Ｄ＝１．９３〜２．７５の範囲において、図６（ｂ）に示すように、観測点Ｅにおける圧力変動が微少であることがわかった。これは、図７（ａ）に示す緩衝手段３０を設けないキャビティ１０に対して、観測点Ｓにおける圧力変動を計算した結果（図７（ｂ）、参照。）との比較でもわかるように、キャビティ１０内に緩衝手段３０として、庇部材１１と曲面１５とを設けることで、キャビティ１０内の圧力変動が大幅に低減されており、本実施例における緩衝手段３０の有効性が示された。

以上のように、本実施の形態によれば、キャビティ１０に緩衝手段３０を設ける、つまり、キャビティ１０の内部の形状を種々考慮することで、キャビティ１０内の圧力変動を制御することができ、キャビティ１０内の圧力変動を低減させることで、抗力や騒音の低減を図るとともに機器の振動や破壊を防ぐことができる。

なお、本実施の形態では、主管２０を流れる流体のキャビティ内圧力変動の低減化装置について詳細に説明したが、本実施の形態における超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置は、管内流れだけにとどまらず、壁面にキャビティが形成され、この壁面に沿って流体が流れる場合における超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置としても同様に用いることができる。

本発明は、キャビティに備えられた緩衝手段により、キャビティ内の圧力変動を低減することができ、抗力や騒音の低減を図るとともに機器の振動や破壊を防ぐことができるので、航空機の脚（着陸装置）などの格納部、高速飛翔体の燃料混合・燃焼促進制御装置、飛翔体壁面に穴や溝などのキャビティを有する物体、および噴流騒音を伴う装置などの高速流を取り扱う分野において広く適用することができる。

本発明の実施の形態における主管とキャビティの位置関係を示す図である。キャビティに備えられた緩衝手段を示す図である。キャビティに備えられた緩衝手段を示す図である。キャビティに備えられた緩衝手段を示す図である。キャビティに備えられた緩衝手段を示す図である。キャビティに備えられた緩衝手段を示す図である。緩衝手段を備えない従来のキャビティを示す図である。

符号の説明

１０キャビティ
１０１前縁側角部
１０３前縁側側面
１１庇部材
１２多孔壁部材
１２１孔
１３段差部
１４壁部材
１５曲面
２０主管
２１スロート
３０緩衝手段

Claims

流体が流れる壁面に形成されたキャビティに、キャビティ後縁で生じた衝撃波が前記キャビティ内を上流側へ伝播した際に前記キャビティ前縁側側面で反射した反射衝撃波の強さを弱める緩衝手段を備えたことを特徴とする超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。
前記緩衝手段は、前記キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材である請求項１記載の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。
前記緩衝手段は、前記キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、前記キャビティの深さ方向に複数の孔が設けられ、前記キャビティの底部から前記庇部材の先端近傍に向かって、前記流体の流れ方向と直交するように配置された多孔壁部材とからなる請求項１記載の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。
前記緩衝手段は、前記キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、前記キャビティの底部前縁側に設けられた段差部とからなる請求項１記載の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。
前記緩衝手段は、前記キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、前記キャビティの底部から、前記流体の流れ方向と直交する方向に設けられた壁部材とからなる請求項１記載の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。
前記緩衝手段は、前記キャビティの前縁側角部に、前記流体の流れ方向に平行となるように設けられた庇部材と、前記キャビティの前縁側側面に形成された曲面とからなる請求項１記載の超音速キャビティ内圧力変動の低減化装置。