JP2009047524A

JP2009047524A - 風洞模型非接触支持方法及び装置

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Publication number: JP2009047524A
Application number: JP2007213314A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kiyono; 寛清野; Sanetoshi Saito; 実俊斉藤
Original assignee: Railway Technical Research Institute
Current assignee: Railway Technical Research Institute
Priority date: 2007-08-20
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2027-08-20
Also published as: JP5039478B2

Abstract

【課題】支持部材を必要とせずに、比較的簡単な構成で風洞模型を非接触で支持する方法及び装置を提供する。
【解決手段】本発明の風洞模型非接触支持装置１は、風洞模型１０に配置された超電導バルク体１２及びこの超電導バルク体１２を冷却しつつ保持する冷却容器１１と、模型１０が対向する風洞内面２０に配置された永久磁石２１と、を備える。寒剤１３で冷却された超電導バルク体１２の磁場捕捉特性により、風洞模型１０は風洞内面２０に対して非接触で支持される。風洞内面２０に設けられた永久磁石２１には荷重センサ２４、３４が設けられ、これらの荷重センサで風洞模型１０に作用する抗力及び揚力を測定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、風洞試験において風洞模型を非接触で支持する方法及び装置に関する。特には、支持部材が不要であるとともに、比較的簡単な構成で風洞模型を非接触で支持できる方法及び装置に関する。

風洞実験において、試験体の模型に空気力学的に作用する抗力や揚力などを測定する場合、通常は、流れに影響を与えないようにピアノ線などを使って試験体となる模型を支持する方法や、磁力によって非接触支持する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

図５は、ピアノ線を用いた模型支持方法の一例を説明する図である。
図５に示すように、この方法では、模型１０を複数のピアノ線６１で吊り下げている。この際、実験中に模型１０の姿勢が変化しないように、模型１０をｘ、ｙ及びｚ方向の全ての方向に対して拘束する必要がある。また、模型１０の姿勢（床面からの高さ、水平度、風に対する角度など）を調整するためには、ピアノ線６１の長さを変更する必要があり、模型のセットや調整に多大な労力を要する。また、ピアノ線６１自体が空気の流れに影響を及ぼし、測定値の誤差の要因となる。さらに、空力音の測定などでは、ピアノ線６１などの支持部材から発生する騒音がノイズ音となってしまう。
このような点から、風洞試験においては模型以外の物体（ピアノ線６１などの支持部材）が存在しないことが好ましい。

図６は、磁力を用いた模型支持方法の一例を説明する図である。
装置は、模型１０の周囲に配置されて、各々磁気回路を形成するコイル７１〜７４、コイル７５〜７８、模型１０の前後に配置された空芯コイル７９、８０とを備える。一方、模型１０には、永久磁石などの強力な磁石体が搭載されており、この磁石体と、コイルに通電することにより生じた外部磁場との間の磁気作用によって磁気力が生じ、模型１０を磁気的に浮上させて支持する。実験時には、コイルの電流の大きさを測定することにより、抗力を検出する。図中の符号８１は、模型１０を観察するカメラである。

この方法では、模型を支持する部材が不要であるが、コイル電流から抗力を求める際に、予め、コイル電流と空気力との関係を調べてマップ、関数、表などの対応関係を求めておく必要がある。そして、模型の形状を変更するたびにこのような繁雑な作業が必要になってしまう。

特開２００３−３４４２１５

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、支持部材が不要であるとともに、比較的簡単な構成で風洞模型を非接触で支持する方法及び装置を提供することを目的とする。

本発明の風洞模型非接触支持方法は、風洞中に風洞模型を非接触で支持する方法であって、前記風洞模型、又は、該模型が対向する風洞内面のいずれか一方に、超電導バルク体、及び、該超電導バルク体を冷却しつつ収容する冷却容器を備えるとともに、いずれか他方に磁場発生装置を備え、前記超電導バルク体の磁場捕捉特性を利用して前記風洞模型を前記風洞内面に対して非接触で支持することを特徴とする。
ここで、超電導バルク体とは、高温超電導単結晶の超電導材料の固まりに加え、多結晶であっても結晶粒の配向性を高めて、単結晶に近い特性を有する超電導特性を改善した超電導材料の固まりをいう（「超電導応用の基礎」松下照男編、産業図書（２００４／０２／１０初版）、第３章高温超電導体、Ｐ．１５９−１６１、「３．３．３バルク高温超電導体」参照）。

超電導バルク体は、磁場中で冷却することで磁束をピン止めすることができ、超電導バルク体が置かれた空間の磁場分布を捕捉する特性を有する。高温超電導体すなわち第二種超電導体では、超電導体中を磁束粒子が格子状に貫通することで超電導状態と磁場が共存可能になるピン止め効果と呼ばれている現象がある。磁気支持では、この磁束のピン止めを利用している。超電導バルク体を磁場中で冷却すると、バルク体内部を貫通する磁束がピン止めされてバルク体内部に残留する。本件における磁場捕捉特性はこのことを示している。このような状態でピン止めされた磁束により安定した磁気浮上が可能である。さらに、超電導バルク体が磁場発生装置から離れる方向もしくは近づく方向に変位しようとすると、レンツの法則に従って、超電導バルク体には磁場変化に反発する方向の磁場を発生させるように超電導電流が誘起されるために、安定した位置を保持できる（「はじめてナットク！超伝導−原理からピン止め効果の応用まで」村上雅人著、講談社（１９９９／０９）参照）。

すなわち、磁場発生装置と超電導バルク体とを所定のスキマを開けて保持して、超電導バルク体を超電導状態とすると、超電導バルク体に磁場発生装置で発生した磁場分布が記憶される（磁場捕捉特性）。すると、前述のスキマを隔てていた部材を外しても、超電導バルク体は磁場発生装置に対して、記憶された磁場分布に基づいてスキマを保持した状態で浮上する。風洞模型が、超電導状態下の超電導バルク体又は磁場発生装置のいずれか一方を備え、風洞内面がもう一方を備えることにより、この特性によって風洞模型は風洞内面に予め決められたスキマを開けて（非接触で）支持される。

この方法によれば、風洞模型を支持する支持部材は不要であり、また、磁気支持方法におけるコイル電流制御や、抗力測定のための事前準備作業などの繁雑な作業が不要である。したがって、風洞実験の労力を軽減でき、模型の形状が変わった際にも柔軟に対応できる。

本発明においては、前記風洞内面に備えられた前記冷却容器又は磁場発生装置に荷重センサが設けられ、該荷重センサで前記風洞模型に作用する抗力及び揚力を測定することとできる。

本発明においては、前記風洞模型に永久磁石を備え、前記固定面に超電導バルク体及び冷却容器を備えることもできる。
超電導バルク体を冷却するために一般的に使用される液体窒素は、常温下で蒸発するため重量が変化する。そこで、この超電導バルク体を風洞内面に配置し、風洞模型に、磁場発生装置として永久磁石を搭載すると、模型の重量が変化しないので好ましい。なお、磁場発生装置としては、永久磁石や電磁石、コイルなどを使用できる。このうち、風洞模型に永久磁石を搭載することが、装置を作りやすく模型の取り替え作業がしやすいという利点を有し、好ましい。

さらに、本発明においては、前記風洞模型に超電導バルク体及び冷却容器を備え、前記風洞内面に超電導磁石又は超電導コイルを備えることもできる。
磁場発生装置として、超電導磁石又は超電導コイルを用いた場合、強力な磁場を発生することができるため、風洞模型の浮上高さを高くすることができる。

また、本発明においては、前記風洞内面に設けられた超電導バルク体及び冷却容器が動揺可能であることが好ましい。
風洞内面に設けた超電導バルク体又は冷却容器と水平方向に動揺させることにより、風洞模型が左右方向に動揺したときの抗力、揚力の変化を測定できる。また、これらを湾曲面に沿って動揺させると、風洞模型のヨーイング時の抗力や揚力の変化も測定できる。

本発明の風洞模型非接触支持装置は、風洞中に風洞模型を非接触で支持する装置であって、前記風洞模型、又は、該模型が対向する風洞内面のいずれか一方に配置された、超電導バルク体、及び、該超電導バルク体を冷却しつつ収容する冷却容器と、いずれか一方に配置された磁場発生装置と、を備え、前記超電導バルク体の磁場捕捉特性を利用して前記風洞模型を前記風洞内面に対して非接触で支持することを特徴とする。

本発明においては、前記風洞内面に備えられた前記冷却容器又は磁場発生装置に設けられた荷重センサを有し、該荷重センサで前記風洞模型に作用する抗力及び揚力を測定することができる。

本発明においては、前記風洞模型に配置された永久磁石と、前記固定面に配置された超電導バルク体及び冷却容器と、を備えることともできる。
または、前記風洞模型に配置された超電導バルク体及び冷却容器と、前記風洞内面に配置された超電導磁石又は超電導コイルと、を備えることともできる。

本発明においては、前記風洞内面に設けられた超電導バルク体及び冷却容器が動揺可能なことが好ましい。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、超電導バルク体を使用することにより、支持部材が不要であって、比較的簡単な構成で風洞模型を非接触で支持する方法及び装置を提供することができる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、本発明の風洞模型非接触支持装置の有効性を確認するための実験例を説明する。
図２は、実験例に使用した風洞模型非接触支持装置を説明する図である。
超電導バルク体１２として、直径６０ｍｍ、高さ２０ｍｍの、Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系材料の塊状焼結体の表面をガラス繊維で覆い、エポキシ樹脂で含浸したものを用意した。同バルク体１２の重量は３９０ｇである。この超電導バルク体１２を、重量が７０ｇの冷却容器１１内に台座１４を介して載置した。
一方、永久磁石２１として、縦５０ｍｍ×横７０ｍｍ、厚さ３０ｍｍ、表面の磁束密度が０．２〜０．２５Ｔの磁石を準備した。

永久磁石２１を風洞内面２０に載置し、同磁石２１の上方に、初期空隙を７ｍｍとなるようにスペーサ（図示されず）を介して冷却容器１１を乗せた。その後、冷却容器１１に液体窒素１３を導入し、超電導バルク体１２を臨界温度以下に冷却した。液体窒素１３の導入量は約２００ｇであり、冷却容器１１と超電導バルク体１２との総重量は約６６０ｇである。超電導バルク体１２が臨界温度以下に冷却された後、スペーサを外すと、冷却容器１１は、永久磁石２１の上方に浮上したまま保持された。

この冷却容器１１をバネ秤１６及び１７で左右方向及び上方向に引っ張り、冷却容器１１が変位する直前のバネ秤１６、１７の荷重を読み取った結果、左右方向及び上方向の、変位が生じる直前の荷重は８００ｇ程度であった。つまり、この例では超電導バルク体に右方向及び上方向に８００ｇｆ程度の力がかかっても、冷却容器１１は浮上した状態に維持されることになる。

一方、模型本体を、密度が２０ｋｇ／ｍ^３の発泡スチロール（ＥＰＳ／発泡ポリスチレン）で、寸法が０．１５ｍ×０．１５ｍ×０．１５ｍの立方体に作製する。この寸法の模型本体を単位模型とする。この模型本体の質量は６７．５ｇであり、断面積は０．０２２５ｍ^２である。

前述の変位が生じる限度の質量８００ｇから模型質量を差し引くと７３２．５ｇとなる。変位発生の許容値を７００ｇとすると、風速３０ｍ／ｓで抗力及び揚力が５００ｇとなる抗力係数（Ｃ_Ｄ値）及び揚力係数（Ｃ_Ｌ値）は０．５７となる。
自動車の場合、Ｃ_Ｄ値は０．４以下、Ｃ_Ｌ値は０．２以下（「ながれ」２３（２００４）、ｐｐ．４４５−４５４、自動車と流体力学：車体周り流れと空気力特性（（社）日本流体力学会）参照）なので、この例の超電導バルク体の磁場捕捉特性によれば、自動車の模型を風速３０ｍ／ｓ中で十分に支持することができ、本発明の装置は有効であるといえる。

列車模型の場合、Ｃ_Ｄ値、Ｃ_Ｌ値は条件によって変化するが、Ｃ_Ｄ値は０．３程度、Ｃ_Ｌ値は０．５程度であるので、前述の単位模型を使用して列車模型を構成できる。

今回の実験に使用した永久磁石２１の質量は約１０００ｇ、超電導バルク体１２や冷却容器１１、寒剤１３及び台座１４の合計質量は６６０ｇ、模型の質量は６７．５ｇであり、これら全体の合計質量は約１７３０ｇとなる。後述する風洞模型非接触支持装置に含まれる、風洞内面に設置するガイドなどの付帯設備の質量を２０００ｇとすると、装置の総質量（荷重）は３７３０ｇ程度である。これに対して、揚力係数を最小の０．２とした場合、発生する揚力は２．４３Ｎ（２４８ｇｆ）となる。これは総荷重の６．６％であり、問題なく揚力を測定できる。
なお、抗力については、抗力に見合った荷重センサを取り付ければよいので、装置の自重に関係なく測定できる。

この実験例により、本発明の風洞模型非接触支持装置は、車両の模型の風洞実験に有効であるといえる。

次に、本発明の風洞模型非接触支持装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。この図においては、風の向きは図の左から右方向（Ｘ方向）とする。
風洞模型非接触支持装置１は、模型１０内に配置された冷却容器１１、並びに、同容器１１内に収容された超電導バルク体１２と、風洞内面２０に配置された永久磁石２１（磁場発生装置）と、を備える。

超電導バルク体１２は、ピン止め力の強い超電導材料（例えば、Ｇｄ−Ｂａ−Ｃｕ−Ｏ系材料に代表されるランタン族元素、スカンジウム族元素とバリウム、鋼の酸化物など）を焼結して塊状にして、周囲をガラス繊維などで覆ってエポキシ樹脂などで含浸したものである。これにより、塊状の超電導材料を水密に保持することもできる。冷却容器１１は、断熱性の高い材料（例えば、発泡樹脂やＦＲＰ（繊維強化プラスチック）など）で作製されており、寒剤（例えば、液体窒素）１３が収容される。超電導バルク体１２は、冷却容器１１の底面上に置かれた台座１４に載置される。この際、超電導バルク体１２を底面を含めた周囲から冷却するために、同バルク体１２は容器１１の底面から浮かして保持され、バルク体１２の下面と容器１１の底面との間にも寒剤１３を存在させることが好ましい。超電導バルク体１２を冷却容器１１内に載置し、超電導バルク体１２が完全に浸るまで寒剤１３を注入して、超電導バルク体１２を臨界温度以下に冷却すると、同バルク体１２は超電導状態となる。

永久磁石２１は、箱状の内支持部材２２内に、ガイド２３によりＸ方向に移動可能に支持されて、風洞内面２０の、風洞模型１０に対向する位置に配置されている。この際、永久磁石２１の上面と、風洞内面２０とは同一面上とされている。永久磁石２１の側面と内支持部材２２の内側面との間には荷重センサ２４が取り付けられている。

また、内支持部材２２は、箱状の外支持部材３２内に荷重センサ３４により支持されている。さらに、内支持部材２２は、外支持部材３２に対してガイド３３によりＺ方向に移動可能となっている。

外支持部材３２は、ガイド３５によりＸ方向に動揺可能に支持されており、左右動付与機構４０により同方向に動揺する。

次に、模型１０を非接触支持する方法を説明する。
まず、冷却容器１１の台座１４上に超電導バルク体１２を固定し、同容器１１を模型１０内にはめ込む。次に、この模型１０を、風洞内面２０に配置された永久磁石２１に対して、スペーサ（図示されず）などを介して所定のスキマを開けて支持する。そして、冷却容器１１に寒剤１３を注入して、超電導バルク体１２を臨界温度以下まで冷却して超電導状態とする。すると、超電導バルク体１２の磁場捕捉作用により、同バルク体１２内に、永久磁石２１から発生した磁場分布が記憶される。その後、スペーサを外すと、超電導バルク体１２、すなわち、模型１０は、記憶された磁場分布に基づいて永久磁石、すなわち、風洞内面２０に対して前述のスキマを開けた状態で支持される。

模型１０に抗力（Ｘ方向）が作用すると、その力は、永久磁石２１の側に取り付けた荷重センサ２４で測定される。また、模型１０に揚力（Ｚ方向）が作用すると、その力は、永久磁石２１の側に取り付けた荷重センサ３４で測定される。

また、模型１０の進行方向をＹ方向として、左右動付与機構４０により外支持部材３２をＸ方向に動揺させると、模型１０は左右方向に動揺する。この場合、模型１０が左右方向に動揺した時の抗力や揚力も荷重センサ２４、３４で測定できる。
さらに、紙面に垂直な方向（Ｙ方向）においても、同方向に移動可能なガイドや荷重センサなどを設けることによって、同方向の力も測定できる。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。
この例は、風洞模型１０の側に永久磁石２１を備え、風洞内面２０の側に超電導バルク体１２及び冷却容器１１を備えたものである。図１と同じ作用・構成を有する部材は図１と同じ符号を付し、説明を省略する。

超電導バルク体１２を冷却する寒剤１３として液体窒素を使用すると、液体窒素が常温下で蒸発するため重量が変化する。つまり、この液体窒素を模型１０側に配置すると、模型１０の重量が変化してしまう。そこで、この超電導バルク体１２や冷却容器１１を風洞内面２０に配置し、永久磁石２１を風洞模型１０に搭載すると、模型の重量が変化しない。また、蒸発した液体窒素は白い煙状になって容器１１から漏れるので、風洞模型１０にこのような現象が発生すると好ましくない場合にも適している。

図４は、本発明の第３の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。
この例は、風洞模型１０の側に超電導バルク体１２及び冷却容器１１を備え、風洞内面２０の側に、永久磁石２１の替わりに超電導磁石５１を備えたものである。

超電導磁石５１は、超電導バルク体１２と同様に冷却容器５１に入れられて、台座５４上に載置されている。冷却容器５１に寒剤５３を注入して超電導磁石５１を冷却することにより、永久磁石２１よりも強力な磁場を発生させることができる。この場合、より大きな磁場を捕捉するために超電導バルク体１２の冷却温度を下げることが望ましく、沸点が２７Ｋの液体ネオンや、４Ｋの液体ヘリウムなどを寒剤として使用することが望ましい。これにより、風洞模型１０の浮上高さを高くすることができる。なお、超電導磁石の替わりに超電導コイルを用いてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。実験例に使用した風洞模型非接触支持装置を説明する図である。本発明の第２の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。本発明の第３の実施の形態に係る風洞模型非接触支持装置を説明する図である。ピアノ線を用いた模型支持方法の一例を説明する図である。磁力を用いた模型支持方法の一例を説明する図である。

符号の説明

１風洞模型非接触支持装置
１０風洞模型１１冷却容器
１２超電導バルク体１３寒剤
１４台座１６、１７バネ秤
２０風洞内面２１永久磁石
２２内支持部材２３ガイド
２４荷重センサ３２外支持部材
３３ガイド３４荷重センサ
３５ガイド４０左右動付与機構
５１冷却容器５２超電導磁石
５３寒剤５４台座

Claims

風洞中に風洞模型を非接触で支持する方法であって、
前記風洞模型、又は、該模型が対向する風洞内面のいずれか一方に、超電導バルク体、及び、該超電導バルク体を冷却しつつ収容する冷却容器を備えるとともに、いずれか他方に磁場発生装置を備え、
前記超電導バルク体の磁場捕捉特性を利用して前記風洞模型を前記風洞内面に対して非接触で支持することを特徴とする風洞模型の非接触支持方法。
前記風洞内面に備えられた前記冷却容器又は磁場発生装置に荷重センサが設けられ、該荷重センサで前記風洞模型に作用する抗力及び揚力を測定することを特徴とする請求項１記載の風洞模型非接触支持方法。
前記風洞模型に永久磁石を備え、
前記固定面に超電導バルク体及び冷却容器を備えることを特徴とする請求項１記載の風洞模型非接触支持方法。
前記風洞模型に超電導バルク体及び冷却容器を備え、
前記風洞内面に超電導磁石又は超電導コイルを備えることを特徴とする請求項１記載の風洞模型非接触支持方法。
前記風洞内面に設けられた超電導バルク体及び冷却容器が移動可能なことを特徴とする請求項１記載の風洞模型非接触支持方法。
風洞中に風洞模型を非接触で支持する装置であって、
前記風洞模型、又は、該模型が対向する風洞内面のいずれか一方に配置された、超電導バルク体、及び、該超電導バルク体を冷却しつつ収容する冷却容器と、
いずれか一方に配置された磁場発生装置と、を備え、
前記超電導バルク体の磁場捕捉特性を利用して前記風洞模型を前記風洞内面に対して非接触で支持することを特徴とする風洞模型の非接触支持装置。
前記風洞内面に備えられた前記冷却容器又は磁場発生装置に設けられた荷重センサを有し、該荷重センサで前記風洞模型に作用する抗力及び揚力を測定することを特徴とする請求項６記載の風洞模型非接触支持装置。
前記風洞模型に配置された永久磁石と、
前記固定面に配置された超電導バルク体及び冷却容器と、を備えることを特徴とする請求項６記載の風洞模型非接触支持装置。
前記風洞模型に配置された超電導バルク体及び冷却容器と、
前記風洞内面に配置された超電導磁石又は超電導コイルと、を備えることを特徴とする請求項６記載の風洞模型非接触支持装置。
前記風洞内面に設けられた超電導バルク体及び冷却容器が移動可能なことを特徴とする請求項６記載の風洞模型非接触支持装置。