JP2015042900A - 衝撃誘起空気流剥離の抑制 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的低エネルギーの境界層からの高速空気流の衝撃誘起剥離を抑制する。【解決手段】流体を吸入することと、流体を吐出することとを交互に行うように構成され、かつ、壁１２に沿って流れる流体質量の境界層から流体を吸入することと、境界層に流体を吐出することとを交互に行うように配置されたアクチュエータ１４またはアクチュエータのアレイ２２を含むことができる。アクチュエータは、流体質量中で伝搬される超音速衝撃波により誘起された境界層剥離気泡から流体を吸入するように配置することができる。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
適用なし

連邦政府資金による研究開発の記載
適用なし

本出願は、全般的には、比較的低エネルギーの境界層からの高速ジェット吸気流の衝撃誘起剥離の抑制に関する。

超音速で動作するときに、高速ジェット吸気口は、吸気流を乱す跳飛パターンの衝撃波を起こし得る。これらの衝撃波は、衝撃波がジェットエンジン吸気口の内部壁に接触した場合、境界層空気の流れの剥離を引き起こすことがある。その結果、衝撃波が吸気口壁に触れるポイントの周囲に、低エネルギーの剥離された空気の気泡が生じることがある。

壁に沿って流れる流体質量の比較的低エネルギーの境界層からの高速空気流の衝撃誘起剥離を抑制するための装置を提供する。本装置は、流体を吸入することと、流体を吐出することとを交互に行うように構成され、かつ、衝撃誘起境界層剥離気泡から流体を吸入するように配置されたアクチュエータを備る。

また、流体質量中で伝搬される超音速衝撃波により壁に沿って誘起された境界層剥離気泡から流体を引き込むことによって、比較的低エネルギーの境界層からの高速空気流の衝撃誘起剥離を抑制するための方法を提供する。

当業者には、本発明の１つまたは複数の実施形態に関する以下の詳細な説明および図面について、これらおよび他の特徴および利点が明らかになるであろう。

超音波衝撃波ロケーションと衝撃誘起剥離抑制デバイスを設置するためのロケーションとを示す、軸対称ジェット吸気口の側断面図である。 図１の吸気口の一部分、ならびに図１のデバイスのうちの１つの一部分のアクチュエータアレイの部分斜視図であり、背景の空気流の断面チャートは、マッハ数コンター（局所音速によって次元化されていない速度マグニチュード）を示し、グレースケールは、高マッハ数（高速）をより明るい明度で示し、低マッハ数（低速）をより暗い明度で示している。 図２に示した吸気口部分の側断面図であり、図２のデバイスは想像線で示されており、マッハコンター断面チャートは、デバイスが非アクティブであるときの空気流を表している。 図２に示した吸気口部分の側断面図であり、図２のデバイスは想像線で示されており、マッハコンター断面チャートは、デバイスがその動作サイクルの吸気部分であるときの空気流を表している。 図２に示した吸気口部分の側断面図であり、図２のデバイスは想像線で示されており、マッハコンター断面チャートは、デバイスがその動作サイクルの吐出部分であるときの空気流を表している。 吸気口壁に設置された代替デバイスの部分直交図である。 図６の線７−７に沿った、図６のデバイスおよび吸気口壁の断面図である。 図７の線８−８に沿った、図６のデバイスおよび吸気口壁の断面図である。 非軸対称（または「２Ｄ」）ジェット吸気口の前端部の斜視図である。 図９のジェット吸気口の側断面図であり、超音速衝撃波ロケーションと、衝撃誘起剥離抑制デバイスを設置するロケーションとが示されている。

図１〜図５、図９および図１０には、比較的低エネルギーの境界層からの高速ジェット吸気流の衝撃誘起剥離を抑制するための装置が、全体的に１０で示されている。図６〜図８には、第２の実施形態が全体的に１０’で示されている。図６〜図８の記号プライム（’）が付いている参照番号は、第１の実施形態にも示されているエレメントの代替構成を示している。別段の記載がない限り、以下の説明の一部分が、図１〜図５、図９および図１０を参照するために参照番号を使用する場合、その説明の該当部分は、図６〜図８のプライム付き番号によって指定されたエレメントにも等しく当てはまる。

図２に示すように、装置１０は、壁１２に装着された１つまたは複数のアクチュエータ１４を含むことができる。各アクチュエータ１４は、１動作サイクルにおいて、空気のような流体を吸入することと、流体を吐出することを急速度で交互に行うに構成することができる。アクチュエータ１４は、ゼロ純質量流（ＺＮＭＦ）アクチュエータとすることができるが、他の実施形態では、任意の他の好適なタイプのアクチュエータとしてもよい。

図３〜図５に最もよく示されているように、各アクチュエータ１４は、アクチュエータ１４が、壁１２に沿って流れる流体質量１６の比較的低エネルギーの境界層から流体を吸入することと、流体を境界層に吐出することとをを交互に行うことができる位置に、壁に沿って配置することができる。さらに、その動作サイクルの吸気部が、各アクチュエータ１４に、流体質量１６中で伝搬される超音速衝撃波２０によって誘起された流れの剥離領域または境界層の剥離気泡１８から、低いエネルギー流体を吸入させることができるように、各アクチュエータ１４を配置することができる。各アクチュエータ１４はまた、剥離気泡１８の上流端部の下流かつ気泡１８の下流端部の上流の位置から流体を吸入するように配置することができる。装置１０のアクチュエータ１４はまた、概ね下流向きの吐出方向に吐出流体を方向付けして境界層に戻すことによって、境界層を付勢するように配置することができる。そのように構成し、配置すると装置１０のアクチュエータ１４は、境界層を付勢しながら、剥離気泡１８を減少させる、または剥離気泡１８を少なくとも部分的に潰すことができ、したがって、エンジン吸気口の遮断、圧力損失および起こり得る非始動が防止される。

図２に示すように、装置１０は、フェーズドアクチュエータアレイ２２を含むことができ、フェーズドアクチュエータアレイ２２は各々、少なくとも２つのアクチュエータ１４を備えることができる（図２は４つ示されている）。アクチュエータ１４は、互いに隣接して配設され、流体質量１６のフロー方向２１に対して横断方向に壁１２に沿って配列することができる。各アレイ２２の各アクチュエータ１４は、１動作サイクルにおいて、流体を吸入することと、流体を吐出することとを急速度で交互に行うように構成することができ、各アクチュエータ１４は、壁１２に沿って流れる流体質量１６の境界層から流体を吸入することと、流体を境界層に吐出することとを交互に行うように配置することができる。４アクチュエータアレイ２２のアクチュエータ１４の動作サイクルは、アレイの他の３つのアクチュエータがそれらのサイクルの９０度、１８０度および２７０度（すなわち、１／４、１／２およ３／４）が完了した後、各アクチュエータ１４についてのサイクルが始まるように、互いに位相配置させることができる。このように位相配置させることにより、常に各アレイ２２内のどこかで「吸入」が行われており、動作に関連するゆらぎ全体を平滑化することが保証される。換言すると、引き込むステップ、方向付けするステップ、および交互に行うステップは、少なくとも２つのＺＮＭＦアクチュエータの各々に、アクチュエータ１４のそれぞれ対応する動作サイクル中に、境界層から流体を吸入することと、流体を境界層に吐出することとを交互に行わせることを含むことができる。パフォーマンスの最適化と振動全体の低減を行うように、各アクチュエータのサイクルが、正確に、隣接するアクチュエータのサイクルよりも先に行われる、またはそれよりも後に行われるように、アクチュエータ１４の動作サイクルを互いに位相配置させることができる。

また、各個々のアクチュエータ１４のデューティサイクルは、各サイクルの「吸入」専用の部分を増大させるように（すなわち、緩やかに吸入し、急速に吐出するように）修正することができる。この動作サイクル構成は、アレイ２２の近傍の剥離気泡減少の安定度をさらに向上させることができる。

図２に示すように、複数のフェーズドアクチュエータアレイ２２は、互いに隣接して配設することができ、流体質量１６のフロー方向に対して横断方向に壁１２に沿って分散させることができる。アクチュエータアレイ２２は、流体質量１６が流れているときに壁１２に沿って境界層剥離気泡１８が生じるそれぞれ対応するロケーションに配設することができ、それにより、アレイ２２は、フロー方向に対して横断方向に壁１２に沿って生じる剥離気泡１８のより大部分を減少させることが可能である。

壁１２は、エンジン吸気口２４の連続する内部壁であり得る。たとえば、図１に示すように、壁１２は、吸気口の内周壁２３または圧縮スパイクの外周壁２５とすることができる。図１および図２に示すように、複数のフェーズドアクチュエータアレイ２２は、連続する内部壁１２の周りで生じる剥離気泡１８を一様に減少させるために、エンジン吸気口２４の連続する内部壁１２の周りに連続する線形アレイで分散させることができる。アレイ２２をこのように分散させると、壁１２が、図１に示すような軸対称混合圧縮吸気口２６の連続する内部壁２３であるか、軸対称吸気口２６の圧縮スパイク２８の外部表面２５であるか、あるいは、図９および図１０に示すような非軸対称（たとえば、「２-Ｄ」）の混合圧縮吸気口３０の内部表面であるかにかかわらず、同様の効果を付与することができる。

図２〜図５に示すように、壁１２は、下流に面した段３２を含むことができ、フェーズドアクチュエータアレイ２２のアクチュエータ１４は、下流に面した段３２を通して境界層流体を吸入し、吐出するように配置し、配向することができる。図６〜図８に示される第２の実施形態では、フェーズドアクチュエータアレイ２２’の各アクチュエータ１４’は、凹型壁ポート３４を通して境界層流体を吸入し、吐出するように配置し、配向することができる。

実際には、比較的低エネルギーの境界層からの高速ジェット吸気流の衝撃誘起剥離は、壁１２に沿って誘起される境界層剥離気泡１８から低エネルギー流体を引き込むことによって抑制することができる。これは、図４に示すようにＺＮＭＦアクチュエータ１４の動作サイクルの吸気部分を開始することによって行うことができる。動作サイクルの吸気部分は、ＺＮＭＦアクチュエータ１４に、剥離気泡１８の上流端部の下流かつ気泡１８の下流端部の上流の位置から流体を吸入させることを含むことができる。換言すると、アクチュエータ１４は、気泡１８の内側部分から流体を吸入することができる。

次いで、図５に示すように、ＺＮＭＦアクチュエータ１４に動作サイクルの吐出部分を開始させることによって、流体を概ね下流向きの吐出方向に方向付けして境界層に戻すことができる。サイクルの吐出部分は、ＺＮＭＦアクチュエータ１４に、境界層から流体を吸入することと、流体を境界層に吐出することとを急速度で交互に行わせるを含むことができる。ＺＮＭＦアクチュエータの動作周波数は、典型的には、設置された（１つまたは複数の）アクチュエータを格納するのための環境および利用可能なボリュームによって変わるアクチュエータの材料特性、形状およびサイズによって管理される。風力タービン適用例の代表的なアクチュエータは、直径約３インチの直径、厚さ約１／４インチ、動作周波数約８００Ｈｚ、デューティサイクル約５０％（吐出時間の画分）を有する。吐出された空気の最大速度は、毎秒数百フィート（局所音速の半分を上回る）であり得る。ただし、最適パフォーマンスに最も適した状態では、異なる特性をもつアクチュエータを採用し、動作させることができる。

アクチュエータ１４の動作サイクルは、１アレイ当たりのアクチュエータの数にしたがって互いに位相配置させることができる（たとえば、４つのアクチュエータをもつアレイの場合、９０度の位相配置）。動作サイクルは非対称とすることができ、すなわち、各アクチュエータ１４は、下流に流体を方向付けするよりも、流体を引き込むのに多くの時間がかかるように、動作サイクルのその吸気部分の速度を吐出部分と比較して下げることができる。ただし、他の実施形態では、各アクチュエータ１４は、流体を方向付けすることが、流体を引き込むことよりも長い完了時間を必要とするように構成することができる。他の実施形態では、各アクチュエータ１４はまた、流体のを引き込むまたは方向付けすることを延長する動作サイクルを交互に行うように構成することができる。

上述したように構築され、実装される空気流剥離抑制装置は、高速ジェット吸気口の流体質量中で伝搬される超音速衝撃波によって誘起される境界層の剥離気泡の形成を減少させること、付勢すること、少なくとも部分的に潰すこと、および／または、抑制することによって、エンジン吸気口の遮断、圧力損失および可能な非始動を防止することができる。

本明細書は、発明の範囲について記載しているのではなく、特許請求の範囲に記載する本発明の実施形態を例示するにすぎない。したがって、本明細書の記載は、単に記述的かつ非限定的なものにすぎない。本明細書が教示した内容から本発明を変更することが可能であることは明らかである。特許請求の範囲内において、上述した物とは異なる発明を実施することができる。

Claims (20)

1. 壁に沿って流れる流体質量の比較的低エネルギーの境界層からの高速空気流の衝撃誘起剥離を抑制するための装置であって、前記装置が、流体を吸入することと、流体を吐出することとを交互に行うように構成されたアクチュエータを備え、前記アクチュエータが、衝撃誘起境界層剥離気泡から流体を吸入するように配置される、装置。
2. 前記アクチュエータが、吐出流体を概ね下流向きの吐出方向に方向付けして前記境界層に戻すように配置される、請求項１に記載の装置。
3. 前記アクチュエータが、ゼロ純質量流（ＺＮＭＦ）アクチュエータである、請求項１に記載の装置。
4. 前記装置が、互いに隣接して配設され、かつ、前記流体質量のフロー方向に対して横断方向に前記壁に沿って配列された少なくとも２つのアクチュエータを備えるフェーズドアクチュエータアレイを含み、前記アレイの各アクチュエータが、各アクチュエータの１動作サイクルにおいて、流体を吸入することと、流体を吐出することとを交互に行うように構成され、前記アレイの各アクチュエータが、前記境界層剥離気泡から流体を吸入することと、流体を前記境界層に吐出することとを交互に行うように配置され、各アクチュエータの前記サイクルが、前記アレイの少なくとも１つの他のアクチュエータよりも前に行われ、前記アレイの少なくとも１つの他のアクチュエータよりも後に行われるように前記アクチュエータの前記動作サイクルを互いに位相配置される、請求項２に記載の装置。
5. 各アクチュエータは、その動作サイクルの吸気部分中、流体を下流に方向付けするよりも、流体を引き込むのに多くの時間がかかるように、吐出部分と比べて速度を下げることができる、請求項４に記載の装置。
6. 前記装置は、互いに隣接して配設され、かつ、前記流体質量が流れているときに前記壁に沿って前記境界層剥離気泡が生じるそれぞれ対応するロケーションに前記流体質量のフロー方向に対して横断方向に前記壁に沿って分散している複数のフェーズドアクチュエータアレイを含む、請求項４に記載の装置。
7. 前記壁が、エンジン吸気口の概ね連続的な内部壁であり、前記複数のフェーズドアクチュエータアレイが、前記エンジン吸気口の前記概ね連続的な内部壁の周りに分散している、請求項６に記載の装置。
8. 前記壁が、軸対称混合圧縮吸気口の概ね連続的な内部壁である、請求項７に記載の装置。
9. 前記壁が、非軸対称混合圧縮吸気口の概ね連続的な内部壁である、請求項７に記載の装置。
10. 前記フェーズドアクチュエータアレイの前記アクチュエータが、前記壁の下流に面した段を通して、境界層流体を吸入し、吐出するように配置され、配向される、請求項４に記載の装置。
11. 前記フェーズドアクチュエータアレイの前記アクチュエータが、凹型壁ポートを通して、境界層流体を吸入し、吐出するように配置され、配向される、請求項４に記載の装置。
12. 壁に沿って流れる流体質量中で伝搬される超音速衝撃波により前記壁に沿って誘起された境界層剥離気泡から流体を引き込むことによって、比較的低エネルギーの境界層からの高速空気流の衝撃誘起剥離を抑制するための方法。
13. 概ね下流向きの吐出方向に流体を方向付けして前記境界層に戻す追加ステップを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記引き込むステップと前記方向付けするステップとを交互に行う追加ステップを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 境界層剥離気泡から流体を引き込む前記ステップが、ＺＮＭＦアクチュエータに、前記ＺＮＭＦアクチュエータの動作サイクルの吸気部分中に、前記境界層剥離気泡から流体を吸入させることを含む、請求項１２に記載の方法。
16. 流体を方向付けして前記境界層に戻す前記ステップが、前記ＺＮＭＦアクチュエータに、前記ＺＮＭＦアクチュエータの前記動作サイクルの吐出部分中に、流体を概ね下流向きの吐出方向に方向付けさせて前記境界層に戻すことを含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記交互に行うステップが、前記ＺＮＭＦアクチュエータに、前記境界層から流体を吸入することと、流体を前記境界層に吐出することとを交互に行わせることを含む、請求項１４に記載の方法。
18. 前記引き込むステップ、前記方向付けするステップおよび前記交互に行うステップが、少なくとも２つのＺＮＭＦアクチュエータの各々に、前記アクチュエータのそれぞれ対応する動作サイクル中に、前記境界層から流体を吸入することと、流体を前記境界層に吐出することを交互に行わせることを含み、各アクチュエータの前記サイクルが、前記アレイの少なくとも１つの他のアクチュエータよりも前に行われ、前記アレイの少なくとも１つの他のアクチュエータよりも後に行われるように、前記アクチュエータの前記動作サイクルを互いに位相配置させる、請求項１７に記載の方法。
19. 前記引き込むステップと前記方向付けするステップとを交互に行う前記ステップは、前記引き込むステップおよび前記方向付けするステップのうちの一方が他方よりも多くの完了時間がかかるように、前記引き込むステップおよび前記方向付けするステップのうちの１つ中に、前記アクチュエータの速度を下げる、または上げる追加ステップを含む、請求項１４に記載の方法。
20. 前記引き込むステップと前記方向付けするステップとを交互に行う前記ステップが、前記引き込むステップが前記方向付けするステップよりも多くの完了時間がかかるように、前記引き込むステップの速度を下げること、また前記方向付けするステップの速度を上げることを含む、請求項１９に記載の方法。