JP2015045620A - 風洞実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】風洞実験装置において噴出口からの噴出空気の乱流度を効果的に低減する。
【解決手段】送風機６からの空気Ａを噴出口３から開放型の測定室１に噴出するのに伴い、この噴出空気Ａを噴出口３に対向する集風口４を通じて吸込風路５Ｂに吸い込む風洞実験装置において、測定室１における実験物の設置部２よりも空気流れ方向における下流側に位置して、集風口４に流入する噴出空気流Ａに抵抗を付与する気流安定化用の通気性抵抗体Ｘを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、自動車、航空機、列車等々の空力特性や発生騒音の測定などを行う風洞実験装置に関し、詳しくは、送風機により供給される空気を噴出口から開放型の測定室に噴出するのに伴い、この噴出口からの噴出空気を、測定室において噴出口に対向する集風口を通じて吸込風路に吸い込む風洞実験装置に関する。

従来、この種の風洞実験装置では、特許文献１に見られるように、コレクタ部と称される集風口に続く吸込風路のうち測定室内に位置する部分の風路壁を通気性材により形成する、あるいは、特許文献２に見られるように、集風口を通じて吸込風路に流入した空気の一部をダクトを通じて短絡的に測定室に導く短絡用開口を吸込風路の風路壁に形成する、あるいはまた、特許文献３に見られるように、集風口に続く吸込風路のうち音圧ピークが生じる部分の風路壁に音圧透過用開口を形成するなどのことで、測定室における圧力脈動を抑制するようにしたものが提案されている。

即ち、これら特許文献１〜３に見られる風洞実験装置は、噴出口からの噴出空気流に伴う渦流が集風口部分に衝突することで圧力脈動が発生し、この発生した圧力脈動が空気流れ方向における上流側に伝播して噴出口に到達することで新たな渦流を誘発するフィードバック現象が生じ、このことで特定周波数の圧力脈動が測定室において生じるのに対し、この特定周波数が集風口に続く吸込風路の固有周波数に一致することで生じる風路共振現象により測定室における圧力脈動が増幅されるとの考察に基づいて提案されたものであり、上記の如き通気性材からなる風路壁や短絡用開口あるいは音圧透過用開口を設けることで上記の風路共振現象を回避し、これにより測定室における圧力脈動の抑制を図ったものである。

特開平１１−６４１５６号公報 特開２００８−７６３０４号公報 特開２０１０−１７５４２２号公報

しかし、風洞実験装置においては、風洞実験において正確で精度の高い測定結果を得るために次の式１で表される噴出空気の乱流度Ｉ（即ち、上記従来装置で言えば測定室における圧力脈動に伴う噴出空気の風速変動の度合）を極力小さくすることが要求されるが、風路共振現象の回避により測定室における圧力脈動の抑制を図る上記の如き従来装置では、噴出口から測定室に噴出する空気の風速変動を確実かつ効果的に抑制することが未だ難しく、この点、上記乱流度Ｉを低減する上で更なる改善の余地があった。

Ｉ＝ｕ′×１００／Ｕａｖ ………（式１）
ここで、Ｉ：乱流度［％］
ｕ′：風速変動の２乗平均平方根［ｋｍ／ｈ］
Ｕａｖ：平均風速［ｋｍ／ｈ］

この実情に鑑み、本発明の主たる課題は、噴出空気の風速変動に関する新たな研究結果に基づいて合理的な変動抑制構成を採ることで、噴出口から測定室に噴出する空気の風速変動を確実かつ効果的に抑制する点にある。

本発明の第１特徴構成は風洞実験装置に関し、その特徴は、
送風機により供給される空気を噴出口から開放型の測定室に噴出するのに伴い、この噴出口からの噴出空気を、前記測定室において前記噴出口に対向する集風口を通じて吸込風路に吸い込む風洞実験装置であって、
前記測定室における実験物の設置部よりも空気流れ方向における下流側に位置して、前記集風口に流入する前記噴出口からの噴出空気流に抵抗を付与する気流安定化用の通気性抵抗体を設けてある点にある。

本発明者による研究によれば、噴出口からの噴出空気の乱流度上昇は次の（イ）〜（ハ）の発生原理で生じると考えられる。

（イ）渦流の発生
図７に模式的に示すように、噴出口３から開放型測定室１へ噴出した噴出空気流Ａの周辺では渦流Ｔが発生し、その発生渦流Ｔが噴出空気流Ａとともに集風口４に向けて進行するのに伴い大きく発達する。

（ロ）集風口部分に対する渦流の衝突
噴出空気流Ａの周辺で発達した渦流Ｔが噴出口３に対向する集風口４部分に衝突し、この衝突により集風口４周辺で気流が乱れて集風口４周辺の圧力や気流風速が変動する（この圧力変動が特許文献１，３で言う渦流衝突により生じる圧力脈動に該当する）。

図８（ａ）〜図８（ｂ）は、この渦流衝突による集風口４近傍での気流変化を可視化したものであり、この図では渦流衝突による大きな気流変化（気流乱れ）が見られ、この気流変化よる大きな風速変動の存在が認められる。

（ハ）噴出口からの噴出空気の風速変動
自由噴流である噴出口３からの噴出空気流Ａは元来、不安定であり、このため、上記渦流衝突による集風口４周辺での気流の乱れや圧力変動、風速変動の影響を受けて噴出口３からの噴出空気流Ｔが、装置条件（特に測定室の各部寸法や風速）によって決まる特定周波数においてピークを持つ状態で揺動し、このことで前記式１で表される乱流度Ｉが上昇する。

このことは図９に示す風速変動データ、及び、図１０に示す同風速変動データのフーリエ解析結果からも認められる。

なお、この噴出空気流Ａの揺動には、集風口４周辺での圧力変動が空気流れ方向の上流側に伝播すること、また、集風口４に続く吸込風路の下流端を送風機を介して噴出口３に連通させた回流式装置の場合では、集風口４周辺での圧力変動や気流の乱れが空気流れ方向で下流側における吸込風路（回流風路）を通じて噴出口３まで及ぶことや、集風口４周辺での圧力・風速の変動や気流の乱れで吸込風路への吸込風量が変動することで噴出口３からの噴出風量も変動してしまうことなども影響していると考えられる。

つまり、噴出口から開放型測定室へ噴出する噴出空気流が自由噴流で不安定であり、また、自由噴流である噴出空気流の周辺で渦流が発生し易くて、その発生渦流が噴出空気流とともに集風口に向けて進行するのに伴い大きく発達することが発端となって乱流度上昇が生じるが、これに対し、本発明者による研究によれば、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に対して通気性抵抗体により抵抗を付与するようにすれば、その抵抗体への渦流衝突による気流の乱れや圧力・風速の変動は抵抗体の通気性により回避しながらも、その抵抗付与による気流拘束により自由噴流である噴出空気流を安定化することができるとともに、その噴出空気流の周辺での渦流の発生及び発達を効果的に抑制することができることが判明し、さらにまた、既に発生し発達段階にある渦流を消滅ないし減衰させる効果を期待し得ることも判明した。

図１１（ａ）〜図１１（ｂ）は、この通気性抵抗体Ｘを設けた場合における集風口４近傍での気流変化を可視化したものであり、通気性抵抗体Ｘがない場合の先の図８との比較からも判るように、同図１１では、通気性抵抗体Ｘによる気流の安定化や渦流の抑制により気流の変化（気流乱れ）が効果的に緩和されており、このことから風速変動が効果的に抑制されていることが認められる。

したがって、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に抵抗を付与する気流安定化用の通気性抵抗体を設ける上記第１特徴構成によれば、噴出空気流を安定化するとともに噴出空気流の周辺での渦流の発生発達を抑制して、乱流度上昇の根本的原因そのものを効果的に抑止することができ、これにより、吸引風路との共振（風路共振現象）を回避してその風路共振現象による圧力脈動の増幅だけを抑制しようとする前述の従来装置に比べ、噴出口から測定室に噴出する空気の風速変動を一層確実かつ効果的に抑制することができて、その噴出空気の乱流度を確実かつ効果的に低減することができ、ひいては、風洞実験の正確さや測定精度を一層高めることができる。

図１２は通気性抵抗体を設けない場合と通気性抵抗体の開口率を変えた場合との夫々における乱流度Ｉを示し、この図では通気性抵抗体を設けることで乱流度が効果的に低減されることが判り、また、通気性抵抗体の開口率が小さいほど（即ち、付与抵抗が大きいほど）乱流度の低減効果が大きいことが判る。

図１３は、通気性抵抗体を設けない場合と通気性抵抗体の開口率を変えた場合との夫々における風速変動データのフーリエ解析結果を示し、この図では通気性抵抗体を設けることで特定周波数にピークを持つ風速変動が効果的に抑制（特にそのピークが抑制）されることが判り、また、通気性抵抗体の開口率が小さいほど特定周波数にピークを持つ風速変動（特にそのピーク）に対する抑制効果が高いことが判る。

なお、上記第１特徴構成において気流安定化用の通気性抵抗体は測定室における実験物の設置部よりも空気流れ方向における下流側に配置するから、実験物の設置部に通過させる噴出口からの噴出空気流に対して気流安定化用の通気性抵抗体が直接の影響を与えることはない。

また、第１特徴構成の実施において気流安定化用の通気性抵抗体は、集風口に対する正面視において集風口の開口域の全域を覆う状態に配置する設置形態、あるいは、集風口に対する正面視において集風口の開口域の一部（例えば中央部や外周縁部）のみを覆う状態に配置する設置形態のいずれを採ってもよい。

本発明の第２特徴構成は、第１特徴構成の実施に好適な構成を特定するものであり、その特徴は、
前記通気性抵抗体として、空気流れ方向に対し直交又は斜交する姿勢の棒状体を前記集風口の開口面方向に間隔を開けて並列状態で複数並べた棒状体並置列を設けてある点にある。

この第２特徴構成によれば、個々の棒状体による抵抗付与により、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に対して、棒状体並置列の配置範囲の全範囲にわたり均一に抵抗付与して均一に気流拘束することができ、これにより、噴出口から測定室に噴出する噴出空気の乱流度を確実かつ効果的に低減することができる。

本発明の第３特徴構成は、第１又は第２特徴構成の実施に好適な構成を特定するものであり、その特徴は、
前記通気性抵抗体として、多孔板状体又は格子状体を設けてある点にある。

この第３特徴構成によれば、多孔板状体における孔不存部又は格子状体における格子材による抵抗付与により、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に対して、多孔板状体又は格子状体の配置範囲の全範囲にわたり均一に抵抗付与して均一に気流拘束することができ、これにより、噴出口から測定室に噴出する噴出空気の乱流度を確実かつ効果的に低減することができる。

なお、この第３特徴構成と前記第２特徴構成とを併行して実施するようにしてもよい。

本発明の第４特徴構成は、第１〜第３特徴構成のいずれかの実施に好適な構成を特定するものであり、その特徴は、
前記通気性抵抗体を空気流れ方向に間隔を開けて複数配置してある点にある。

この第４特徴構成によれば、複数の通気性抵抗体の夫々による抵抗付与により、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に対して一層効果的に抵抗付与することができ、これにより、噴出口から測定室に噴出する噴出空気の乱流度を更に確実かつ効果的に低減することができる。

本発明の第５特徴構成は、第１〜第４特徴構成のいずれかの実施に好適な構成を特定するものであり、その特徴は、
前記集風口を通じて前記吸込風路に流入した空気の一部を短絡的に前記測定室に導く短絡用開口、又は、前記吸込風路の音圧ピーク発生箇所に位置して音圧を前記吸込風路の外部へ透過させる音圧透過用開口を、前記通気性抵抗体よりも空気流れ方向における下流側において前記吸込風路の風路壁に形成してある点にある。

この第５特徴構成によれば、集風口に流入する噴出口からの噴出空気流に対して気流安定化用の通気性抵抗体により抵抗付与することで噴出口からの噴出空気の風速変動を効果的に抑制した状態でも未だ噴出空気の風速変動や圧力脈動がある程度残存するような場合、その残存する風速変動や圧力脈動を上記の短絡用開口又は音圧透過用開口による風路共鳴回避により抑制することができ、これにより、噴出口から測定室に噴出する噴出空気の乱流度を全体として更に確実かつ効果に低減することができる。

風洞実験装置の全体構成を示す平面図 棒状体並置列からなる通気性抵抗体の正面図（ａ）及び側面図（ｂ） 別実施形態を示す網状体からなる通気性抵抗体の正面図（ａ） 別実施形態を示すハニカム構造体からなる通気性抵抗体の正面図（ａ）及び部分斜視（ｂ） 通気性抵抗体の配置例を示す正面図（ａ），（ｂ），（ｃ） 通気性抵抗体の配置例を示す側面図 渦流の発生形態を説明する模式図 集風口近傍における気流変化を示す側面図（ａ），（ｂ） 風速変動データを示すグラフ フーリエ解析結果を示すグラフ 通気性抵抗体がある状態での集風口近傍における気流変化を示す側面図（ａ），（ｂ） 乱流度の比較結果を示すグラフ フーリエ解析の比較結果を示すグラフ

図１は自動車、航空機、列車等々の空力特性や発生騒音の測定などを行う風洞実験装置の全体構成を示し、この風洞実験装置では開放型の測定室１を設け、この測定室１には、室内における実験物の設置部２に向けて空気Ａを設定風速で噴出する噴出口３、及び、実験物の設置部２を通過した噴出口３からの噴出空気Ａを流入させる集風口４を設けてある。

噴出口３と集風口４とは測定室１の外部において回流風路５を通じて連通させ、この回流風路５の途中箇所には、噴出口３に空気Ａを送給してその送給空気Ａを噴出口３から噴出させる送風機６を装備してある。

つまり、この風洞実験装置は、回流風路５における送風機６と集風口４との間の部分を吸込風路５Ｂにするとともに、回流風路５における送風機６と噴出口３との間の部分を給気風路５Ａにして、送風機６の運転により集風口４を通じて吸込風路５Ｂに吸い込んだ空気Ａを給気風路５Ａを通じて噴出口３から測定室１に噴出する回流式の風洞実験装置にしてある。

噴出口３及び集風口４はともに正面視で矩形状の開口にしてあり、給気風路５Ａにおける噴出口３の近傍部分（即ち、給気風路５Ａの出口近傍部）は、空気流れ方向の下流側ほど風路断面積が漸次的に小さくなって噴出口３に至る縮風部５ａにしてある。

一方、集風口４は、測定室１に向かって拡がるラッパ状集風部４ａを備えるものにしてあり、吸込風路５Ｂにおける集風口４の近傍部分（即ち、吸込風路５Ｂの入口近傍部）は、空気流れ方向の下流側ほど風路断面積が漸次的に大きくなる拡風部５ｂにしてある。

そして、ラッパ状集風部４ａを備える集風口４と噴出口３とは、いずれも測定室１の内部に突出させた状態で実験物の設置部２を挟んで正対的に対向させてある。

この種の風洞実験装置では、図７に模式的に示すように、噴出口３から開放型測定室１へ噴出した噴出空気流Ａの周辺で渦流Ｔが発生して発達し、その発達渦流Ｓが集風口４部分（具体的には、ラッパ状集風部４ａや集風口４近傍における吸込風路５Ｂの風路壁）に衝突することで、集風口４周辺において気流が乱れ集風口４周辺の圧力や風速が変動する。

そして、不安定な自由噴流である噴出口３からの噴出空気流Ａが、上記渦流衝突による集風口４周辺での気流の乱れや圧力変動、風速変動の影響を受けることで、装置条件（特に測定室の各部寸法や風速）によって決まる特定周波数においてピークを持つ状態で揺動し、これが原因で、次の式１で表される噴出空気Ａの乱流度Ｉが上昇して風洞実験装置の性能が低く制限される問題があった。

Ｉ＝ｕ′×１００／Ｕａｖ ………（式１）
Ｉ：乱流度［％］
ｕ′：風速変動の２乗平均平方根［ｋｍ／ｈ］
Ｕａｖ：平均風速［ｋｍ／ｈ］

これに対し、本例の風洞実験装置では図１，図２に示すように、実験物の設置部２よりも空気流れ方向の下流側において、集風口４に流入する噴出口３からの噴出空気流Ａに対して抵抗を付与する気流安定化用の通気性抵抗体Ｘを、集風口４に対する正面視において集風口４の開口域の全域にわたらせる状態で設置してあり、この通気性抵抗体Ｘによる抵抗付与により噴出口３からの噴出空気流Ａを拘束することで、噴出口３からの噴出空気流Ａを安定化するとともに、その噴出空気流Ａの周辺での渦流の発生発達を抑制して、乱流度上昇の根本的原因そのものを効果的に抑止し、また、既に発生し発達段階にある渦流Ｔを消滅ないし減衰させる効果も望めるようにし、これにより、噴出口３からの噴出空気Ａの乱流度Ｉを効果的に低下させるようにしてある。

具体的には、空気流れ方向に対して直交する水平姿勢の丸棒状や角棒状の棒状体７ａを集風口４の手前箇所において等間隔に間隔を開けて上下方向に並列状態で複数並べて棒状体並置列７を形成し、この棒状体並置列７を上記気流安定化用の通気性抵抗体Ｘとしてある。

〔別実施形態〕
次に本発明の別実施形態を列記する。

前述の実施形態では、水平姿勢の棒状体７ａからなる棒状体並置列７を気流安定化用の通気性抵抗体Ｘとしたが、これに代えて、縦姿勢の棒状体を横方向に並列状態で並べた棒状体並置列を気流安定化用の通気性抵抗体Ｘにしてもよい。

また、気流安定化用の通気性抵抗体Ｘとして、棒状体並置列７に代え、あるいは、棒状体並置列７とともに、図３に示す如き網状体８や図４に示す如きハニカム構造体９を設置してもよく、その他、パンチング板などの多孔板状体、縦横格子体やジャングルジム状体などの格子状体、さらにフィルター状体などを気流安定化用の通気性抵抗体Ｘとして使用してもよい。

気流安定化用の通気性抵抗体Ｘは、図５（ａ）に示すように、集風口４に対する正面視において集風口４の開口域の全域を覆う状態に配置するに限らず、図５（ｂ）に示すように、集風口４に対する正面視において集風口４の開口域の外周縁部のみを覆う状態に配置したり、図５（ｃ）に示すように、集風口４に対する正面視において集風口４の開口域の中央部のみを覆う状態に配置するなど、集風口４に対する正面視において集風口４の開口域の一部のみを覆う状態に配置するようにしてもよい。

また、気流安定化用通気性抵抗体Ｘの空気流れ方向における設置個所は、実験物の設置部２よりも空気流れ方向の下流側であれば、図６に示す如く集風口４の手前箇所から集風口４の奥部箇所（すなわち、吸込風路５Ｂに入った箇所）までの範囲内において適宜決定すればよい。

同図６に破線で示すように、集風口４を通じて吸込風路５Ｂに流入した空気Ａの一部をダクト（図示省略）を通じて短絡的に測定室１に導く短絡用開口１０、又は、吸込風路５Ｂの音圧ピーク発生箇所に位置して音圧を吸込風路５Ｂの外部へ透過させる音圧透過用開口１１を通気性抵抗体Ｘよりも空気流れ方向における下流側において吸込風路５Ｂの風路壁に形成してもよい。

このようにすれば、集風口４に流入する噴出口３からの噴出空気流Ａに対して気流安定化用の通気性抵抗体Ｘにより抵抗付与することで噴出口３からの噴出空気Ａの風速変動を効果的に抑制した状態でも未だ噴出空気Ａの風速変動や圧力脈動がある程度残存するような場合、その残存する風速変動や圧力脈動を上記の短絡用開口１０又は音圧透過用開口１１による風路共鳴回避により抑制することができる。

本発明は、回流式風洞実験装置に限らず、吸込風路５Ｂに流入した空気Ａを噴出口３に戻さない一過式の風洞実験装置に適用してもよい。

本発明による風洞実験装置は種々の風洞実験に利用することができる。

６ 送風機
Ａ 噴出空気
３ 噴出口
１ 測定室
４ 集風口
５Ｂ 吸込風路
２ 実験物設置部
Ｘ 気流安定化用の通気性抵抗体
７ａ 棒状体
７ 棒状体並置列
１０ 短絡用開口
１１ 音圧透過用開口

Claims (5)

1. 送風機により供給される空気を噴出口から開放型の測定室に噴出するのに伴い、この噴出口からの噴出空気を、前記測定室において前記噴出口に対向する集風口を通じて吸込風路に吸い込む風洞実験装置であって、
   前記測定室における実験物の設置部よりも空気流れ方向における下流側に位置して、前記集風口に流入する前記噴出口からの噴出空気流に抵抗を付与する気流安定化用の通気性抵抗体を設けてある風洞実験装置。
2. 前記通気性抵抗体として、空気流れ方向に対し直交又は斜交する姿勢の棒状体を前記集風口の開口面方向に間隔を開けて並列状態で複数並べた棒状体並置列を設けてある請求項１記載の風洞実験装置。
3. 前記通気性抵抗体として、多孔板状体又は格子状体を設けてある請求項１又は２記載の風洞実験装置。
4. 前記通気性抵抗体を空気流れ方向に間隔を開けて複数配置してある請求項１〜３のいずれか１項に記載の風洞実験装置。
5. 前記集風口を通じて前記吸込風路に流入した空気の一部を短絡的に前記測定室に導く短絡用開口、又は、前記吸込風路の音圧ピーク発生箇所に位置して音圧を前記吸込風路の外部へ透過させる音圧透過用開口を、前記通気性抵抗体よりも空気流れ方向における下流側において前記吸込風路の風路壁に形成してある請求項１〜４のいずれか１項に記載の風洞実験装置。