JP2019035717A - 境界層制御装置及び風洞装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より高精度の風洞試験を行うことのできる境界層制御装置及びこれを備えた風洞装置を提供する。【解決手段】送風機により生成された気流Ｗが流通する気流通路を構成する内壁面３Ａから凹む箱状をなし、内壁面３Ａに近づくに従って該気流Ｗの下流側へと向かう形状に形成された前板１６が該気流の下流側に設けられたチャンバ１４と、チャンバ１４内に設けられて、該チャンバ１４内の空間を上流側のダクト空間１０、下流側の噴出用ヘッダ１２に区画する仕切板１８と、噴出用ヘッダ１２内の空気をチャンバ１４の内壁面３Ａへの開口を介して気流通路と噴出するノズル部２１と、を備え、ダクト空間１０は、上流側の主ダクト部１０Ａと、該主ダクト部１０Ａの下流側に接続されて該主ダクト部よりも深さの小さい副ダクト部１０Ｂと、を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、境界層制御装置及び風洞装置に関する。

移動体等の空気抵抗値を測定するために、風洞装置が使用されている。例えば、自動車用風洞では、車両の実走行状態を模擬するため、整流された一様噴流を吹き出せるように各主管路が構成されている。特に、風洞装置床面付近で試験を行う際には、床面付近で発達する境界層の影響により空気抵抗値が過小評価されるおそれがある。

この影響を抑制するための境界層制御装置を備えた風洞装置が特許文献１に開示されている。この風洞装置は、測定対象物よりも上流側における風洞床面付近の空気を吸引する吸引用ダクトを備えている。

特開２００９−１５６６９５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された境界層制御装置では以下の問題が生じていた。即ち、吸引用ダクトの下流側にある静止した床面上を気流が通過することによって再び境界層が発達する。そのため、床面付近の気流速度が低下し、測定対象物の抵抗値が過少評価される場合があった。
この再度発達する境界層の影響を抑制するためには、吸引用ダクトの下流側の端部から測定対象物の後端部までにおける静止した床面の気流方向の距離を短くすることが必要であった。

ここで、上述の距離を短くするためには、風洞装置の構造上の寸法制約のため、境界層制御装置を従来よりも小型のものとする必要があった。一方で、不用意に小型化を図れば装置の能力が従来に比して低下し、高精度の風洞実験を行うことができない場合がある。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであって、より高精度の風洞試験を行うことのできる境界層制御装置及びこれを備えた風洞装置を提供する。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用している。
即ち、本発明の一態様に係る境界層制御装置は、送風機により生成された気流が流通する気流通路を構成する内壁面から凹む箱状をなし、前記内壁面に近づくに従って該気流の下流側へと向かう形状に形成された前板が該気流の下流側に設けられたチャンバと、前記チャンバ内に設けられて、該チャンバ内の空間を上流側のダクト空間、下流側の噴出用ヘッダに区画する仕切板と、前記噴出用ヘッダ内の空気を前記チャンバの前記内壁面への開口を介して前記気流通路へと噴出するノズル部と、を備え、前記ダクト空間は、前記上流側の主ダクト部と、該主ダクト部の下流側に接続されて該主ダクト部よりも深さの小さい副ダクト部と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、吸引ダクトと噴出用ヘッダをチャンバにより統合することで、吸引ダクト及び噴出用ヘッダからなる境界層制御装置全体におけるコンパクト化が可能となる。

また、上記の境界層制御装置は、前記チャンバの深さ方向に見て、前記ダクト空間が占める領域と噴出用ヘッダが占める領域とが重なる部分を有していてもよい。

この構成によれば、吸引用ダクト及び噴出用ヘッダをチャンバの上流側と下流側で仕切るだけでなく、チャンバの底部側と開口部側でも仕切ることで、境界層制御装置全体におけるさらなるコンパクト化が可能となる。

また、上記の境界層制御装置は、前記副ダクト部における前記送風方向の寸法が、該副ダクト部と前記主ダクト部との接続部における前記副ダクト部の深さよりも大きくてもよい。

この構成によれば、吸引用ダクトの開口部かつ下流側端部に発生する淀み圧を低減させ、測定対象物周辺の空気の圧力分布を一様にすることができる。

また、上記の境界層制御装置は、前記ノズル部が、前記仕切り板の開口側の端部と前記チャンバにおける前記前板の開口側の端部により区画形成されていてもよい。

この構成によれば、ノズル部周辺のデッドスペースを無くすことができる。

また、上記の境界層制御装置は、前記仕切り板が、前記チャンバの底面から該チャンバの開口方向に向かって延びる底部仕切板と、前記底部仕切板における前記チャンバの開口側の端部に交差するように接続されて、該開口側の端部から前記下流側に向かって延びる中間部仕切板と、前記中間部仕切板における前記気流の下流側の端部に交差するように接続されて、該下流側の端部から前記開口側に向かって延びる開口部仕切板と、を有してもよい。

この構成によれば、デッドスペースを流路として有効に活用しつつ、測定対象物周辺の圧力分布を一様にすることができる。また、噴出用ヘッダに使うことのできる空間をより広くとることができるため、噴出用ヘッダを、稼働の際の圧力損失が少なく、より均一な噴流を噴出可能なものとすることができる。

また、上記の境界層制御装置は、前記気流通路の幅方向に延びる軸線回りに回転可能なローラ、及び該ローラに巻き掛けられて前記気流の流通方向に延びる無端ベルトを有する移動地面板をさらに備え、前記前板が、前記ローラに巻き掛けられることで湾曲している前記無端ベルトに沿うように形成されていてもよい。

この構成によれば、前記吸引用ダクト、前記噴出用ヘッダ及び移動地面板からなる境界層制御装置全体におけるコンパクト化が可能となる。

また、本発明の一態様に係る風洞装置は、前記送風装置と前記気流通路とを有し、上記の境界層制御装置のうちいずれか一つの境界層制御装置をさらに有することを特徴とする。

この構成によれば、境界層制御装置が全体としてコンパクトであるため、風洞装置内の寸法制約が厳しくとも、境界層の発達による影響を抑制した風洞実験を行うことができる。

また、送風装置により生成された気流が流通する気流通路を構成する内壁面から凹む箱状をなすチャンバと、前記チャンバ内に、前記上流側の主ダクト部と、該主ダクト部の下流側に接続されて該主ダクト部よりも深さの小さい副ダクト部と、を有する境界層制御装置。

この構成によれば、噴出用ヘッダを設けなくとも測定対象物の上流側で発達する境界層をより効果的に抑制し、かつ、吸引用ダクトの開口部かつ下流側端部に発生する淀み圧を低減させることで、測定対象物周辺の空気の圧力分布を一様にすることができる。

本発明の境界層制御装置及びこれを備える風洞装置によれば、より高精度の風洞試験を行うことができる。

本発明の第一実施形態に係る境界層制御装置を備えた風洞装置の概略構成を示す模式図である。 本発明の第一実施形態に係る境界層制御装置の要部の模式図である。 本発明の第一実施形態に係る境界層制御装置であって、図２に示す面Ａ−Ａ面の断面図である。 本発明の第一実施形態に係る境界層制御装置の作用の一例を示す説明図である。 本発明の第二実施形態に係る境界層制御装置（風洞装置用ダクト）であって図３に示す断面図に相当する断面図である。

[第一実施形態]
以下、本発明の第一実施形態に係る境界層制御装置及び風洞装置について図面に基づいて詳細に説明する。
図１に示す風洞装置１００は、例えば自動車の空気抵抗値を測定する試験を行うために用いられる。

本実施形態における風洞装置１００は、気流通路１、送風機２及び境界層制御装置５を備えている。
気流通路１は環状をなすように連続する通路である。送風機２は気流通路１内に設けられて、ファンの回転等により気流Ｗを発生させる。気流Ｗは気流通路１を循環するように該気流通路を流通する。
気流通路１には、気流通路１の一部分だけ空間を拡張させることで風洞試験を行うことを可能とした測定室３が設けられている。気流通路１は直線区間１Ａとコーナー区間１Ｂにより構成されている。各コーナー区間１Ｂにはコーナーベーン４が複数個ずつ設けられている。

境界層制御装置５は、図２及び図３に示すように、測定室３の床面３Ａ及び床下３Ｂに設けられている。境界層制御装置５は、隣接して配置された吸引用ダクト１０、噴出用ヘッダ１２、移動地面板１３の計三種類の装置を有している。各装置は、気流Ｗの上流側から吸引用ダクト１０、噴出用ヘッダ１２、移動地面板１３の順で、測定対象物Ｏの上流側に配置されている。測定への影響を考慮すべき発達した境界層は、これら測定対象物Ｏの上流側に設置された各装置によって、この順に制御されることとなる。なお、個々の装置は独立に作動可能である。
測定対象物Ｏの幅方向両側（左右両側）の上流側の領域には吸引用ダクト１０のみが測定対象物Ｏの側方に回り込んで設けられている。

より詳しくは図２及び図３に示すように、境界層制御装置５における吸引用ダクト１０と噴出用ヘッダ１２は、測定室３の床面３Ａから凹む箱状をなすチャンバ１４内に区画形成されている。チャンバ１４には、風洞装置１００の床面３Ａに近づくに従って、即ち、開口方向に向かうに従って、気流Ｗの下流側へと傾斜した前板１６が該チャンバ１４の下流側に設けられている。

チャンバ１４内には、仕切板１８が設けられている。仕切板１８は、該仕切板１８によって内部が２つの空間に区画されたチャンバ１４と共に、吸引用ダクト１０と噴出用ヘッダ１２を区画形成している。つまり、吸引用ダクト１０を区画形成する部材のうち、下流側の部材（仕切板１８）は噴出用ヘッダ１２を区画形成する上流側の部材も兼ねている。

本実施形態では、仕切板１８の一部分によって、吸引用ダクト１０と噴出用ヘッダ１２の一部は、チャンバの上流側と下流側とに区画されているだけでなく、チャンバの底部側と開口部側（開口方向を上とした場合の上下）とにも区画されている。本実施形態では、仕切板１８は、底部仕切板１８Ａ、中間部仕切板１８Ｂ及び開口部仕切板１８Ｃの３つがこの順に接続されたものとして形成されている。

底部仕切板１８Ａは、チャンバ１４の底面からチャンバ１４の開口方向に向かって延びている。
中間部仕切板１８Ｂは、底部仕切板１８Ａにおけるチャンバ１４の開口側の端部に交差するように接続されて、該開口側の端部から下流側に向かって延びている。本実施形態では、中間部仕切板１８Ｂの上流側には中間部仕切板屈曲部１８ｂが設けられている。
開口部仕切板１８Ｃは、中間部仕切板１８Ｂにおける気流Ｗの下流側の端部に交差するように接続されて、該下流側の端部から開口側に向かって延びている。

このとき、この仕切板１８の形状により、吸引用ダクト１０内の空間は、上流側の空間である主ダクト部１０Ａ、主ダクト部１０Ａよりも下流側の空間かつ深さの浅い副ダクト部１０Ｂの２つに規定される。本実施形態では、副ダクト部１０Ｂにおける気流の流通方向の寸法が、副ダクト部１０Ｂと主ダクト部１０Ａとの接続部における副ダクト部１０Ｂの深さよりも大きくなるように定められている。

また、本実施形態では、チャンバ１４の下流側の端部にノズル部２１が設けられている。ノズル部２１は仕切板１８の開口側端部とチャンバ１４の前板１６の開口側端部により区画形成されている。このノズル部２１は、空気の噴出方向が気流Ｗの方向と同じベクトル成分を有するように形成されている。

本実施形態における移動地面板１３は、上述のチャンバ１４に隣接する下流側に設けられるとともにローラ１９及び無端ベルト２０を有している。ローラ１９は、気流通路１の幅方向に延びる軸線回りに回転可能であり、無端ベルト２０は該ローラ１９に巻き掛けられて気流Ｗの流通方向に延びている。測定時には、無端ベルト２０は気流Ｗの方向と同じ速度で回転駆動するように制御される。
本実施形態では、チャンバ１４の前板１６は、ローラ１９に巻き掛けられることで湾曲している無端ベルト２０にそう形状となるように形成されている。

上記構成の境界層制御装置５を備える風洞装置１００では、吸引用ダクト１０と噴出用ヘッダ１２をチャンバ１４により統合し、それぞれを区画形成する部材を共通のものとすることができる。このため、吸引用ダクト１０と噴出用ヘッダ１２をそれぞれ別個に設置する場合に生じるデッドスペースを無くし、境界層制御装置５の流路として有効に活用することができる。また、チャンバ１４の前板１６が傾斜しているため、移動地面板１３をさらに備えた場合であっても、隣接する無端ベルト２０に沿うように形成されている場合は、デッドスペースを無くすとともに、それぞれの機能を発揮するために必要な寸法を確保することができる。
従って、個々の装置について、その能力を犠牲とせずに、ダクトの下流側端部から測定対象物Ｏ後端部までにおける静止した床面３Ａの気流Ｗ方向の距離を大幅に短縮することができる。

また、相対的に深さの浅い副ダクト部１０Ｂを経由した空気の吸い込みにおける流路抵抗は、主ダクト部１０Ａにおける流路抵抗と比較して大きくなる。このときの風洞内の吸引用ダクト１０開口部付近で吸引される気流Ｗの速度ベクトルについて説明する。図４に図示するように、気流速度ベクトルのチャンバ深さ方向成分Ｖについては、吸引用ダクト１０の下流側の端部に向かうにしたがってＶ_０からＶ_１へと徐々に減少することとなる。これにより、風洞内吸引用ダクト１０の開口部付近かつ下流側の端部における気流Ｗの速度ベクトル変化が緩慢となり、当該領域に発生していた気流Ｗのよどみ圧が軽減される。従って、測定対象物Ｏ周辺における気圧の分布が一様となる。

また、上記の気流Ｗの深さ方向成分の減速の効果は、副ダクト部１０Ｂの送風方向の寸法にも影響を受ける。本実施形態では、副ダクト部１０Ｂにおける送風方向の寸法が、副ダクト部１０Ｂと主ダクト部１０Ａとの接続部における副ダクト部１０Ｂの深さよりも大きくなるように定められている。これにより、上記の流路抵抗が十分に確保されることから、当該領域に発生していた気流Ｗのよどみ圧が効果的に軽減され、測定対象物Ｏ前衛の気圧分布が一様となる。
さらに、本実施形態の構成によれば、噴出用ヘッダ１２に使うことのできる空間をより広く取ることができる。そのため、稼働の際は、圧力損失を低減できることから運転効率がよく、その上、より均一な噴流を噴出可能とすることができる。

したがって、本実施形態に係る測定境界層制御装置５及び風洞装置１００によれば、境界層の生成に伴う測定への影響を抑制でき、より精度の高い測定対象物Ｏの抵抗値の測定を行うことができる。

[第二実施形態]
次に第二実施形態について図５を参照して説明する。第二実施形態では第一実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
第二実施形態は、第一実施形態と比較し、チャンバ１５とその内部の構成が異なっている。
本実施形態では、第一実施形態における吸引用ダクト１１を区画形成する壁面に相当する壁面のみが存在し、この壁面は一つのチャンバ１５により構成されている。ゆえに噴出用ヘッダ１２を区画形成する構成は無い。

上記構成の境界層制御装置６及び風洞装置１０１でも、第一実施形態と同様に、吸引用ダクト１１の下流の側端部から測定対象物Ｏの後端部までにおける静止した床面３Ａの気流Ｗ方向の距離を大幅に短縮することができる。そのため、吸引用ダクト１１の下流側で再度発達する境界層が最小化されるため、噴出用ヘッダ１２を設けなくとも、高い測定精度による風洞試験を行うことができる。
また、本実施形態ではチャンバ１５の下流側が占有する空間が小さくなっているため、チャンバ１５を移動地面板１３に可能な限り接近させた場合など寸法制約が厳しい場合でもチャンバ１５を配置することができる。

上記構成の境界層制御装置６及びこれを備える風洞装置１０１でも、第一実施例と同様に、風洞内吸引用ダクト１１の開口部付近かつ下流側端部における気流Ｗの速度ベクトル変化が緩慢となり、当該領域に発生していた気流Ｗのよどみ圧が軽減され、測定対象物Ｏ前衛における気圧の分布が一様となる。
したがって、上記の構成によれば、寸法制約又はコスト面での制約が第一実施例よりもさらに厳しいために、噴出用ヘッダ１２を設けることができない場合であっても、精度よく測定対象物Ｏの空気抵抗値を測定することができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
なお、上記実施形態では、仕切板１８は、底部仕切板１８Ａ、中間部仕切板１８Ｂ及び開口部仕切板１８Ｃの３つの平板が接続されたものとして形成されるとしたが、これに限るものではなく、例えば、仕切板１８が一枚の板を屈曲して成形されたものであって、上記実施例における中間部仕切板１８Ｂに相当する領域を平面としたものでもよい。

１００、１０１ 風洞装置
１ 気流通路
１Ａ 直線区間
１Ｂ コーナー区間
２ 送風機
３ 測定室
３Ａ 床面
３Ｂ 床下
４ コーナーベーン
５、６ 境界層制御装置
１０、１１ 吸引用ダクト
１０Ａ、１１Ａ 主ダクト部
１０Ｂ、１１Ｂ 副ダクト部
１２ 噴出用ヘッダ
１３ 移動地面板
１４、１５ チャンバ
１６、１７ 前板
１８ 仕切板
１８Ａ 底部仕切板
１８Ｂ 中間部仕切板
１８ｂ 中間部仕切板屈曲部
１８Ｃ 開口部仕切板
１９ ローラ
２０ 無端ベルト
２１ ノズル部
Ｏ 測定対象物
Ｗ 気流
Ｖ 気流速度ベクトルのチャンバ深さ方向成分

Claims (8)

1. 送風機により生成された気流が流通する気流通路を構成する内壁面から凹む箱状をなし、前記内壁面に近づくに従って該気流の下流側へと向かう形状に形成された前板が該気流の下流側に設けられたチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられて、該チャンバ内の空間を上流側のダクト空間、下流側の噴出用ヘッダに区画する仕切板と、
   前記噴出用ヘッダ内の空気を前記チャンバの前記内壁面への開口を介して前記気流通路へと噴出するノズル部と、を備え、
   前記ダクト空間は、前記上流側の主ダクト部と、該主ダクト部の下流側に接続されて該主ダクト部よりも深さの小さい副ダクト部と、を有する境界層制御装置。
2. 前記チャンバの深さ方向に見て、前記ダクト空間が占める領域と噴出用ヘッダが占める領域とが重なる部分を有する請求項１に記載の境界層制御装置。
3. 前記副ダクト部における前記気流の流通方向の寸法が、該副ダクト部と前記主ダクト部との接続部における前記副ダクト部の深さよりも大きい請求項１に記載の境界層制御装置。
4. 前記ノズル部が、前記仕切り板の開口側端部と前記チャンバにおける前記前板の開口側端部により区画形成されている、請求項１に記載の境界層制御装置。
5. 前記仕切り板が、前記チャンバの底面から該チャンバの開口方向に向かって延びる底部仕切板と、
   前記底部仕切板における前記チャンバの開口側の端部に交差するように接続されて、該開口側の端部から前記下流側に向かって延びる中間部仕切板と、
   前記中間部仕切板における前記気流の下流側の端部に交差するように接続されて、該下流側の端部から前記開口側に向かって延びる開口部仕切板と、を有する請求項１に記載の境界層制御装置。
6. 前記気流通路の幅方向に延びる軸線回りに回転可能なローラ、及び該ローラに巻き掛けられて前記気流の流通方向に延びる無端ベルトを有する移動地面板をさらに備え、
   前記前板が、前記ローラに巻き掛けられることで湾曲している前記無端ベルトに沿うように形成されている請求項１に記載の境界層制御装置。
7. 前記送風装置と前記気流通路とを有し、請求項１から６のいずれか一項に記載の境界層制御装置をさらに有する風洞装置。
8. 送風装置により生成された気流が流通する気流通路を構成する内壁面から凹む箱状をなすチャンバと、
   前記チャンバ内に、前記上流側の主ダクト部と、該主ダクト部の下流側に接続されて該主ダクト部よりも深さの小さい副ダクト部と、を有する境界層制御装置。

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