JP2019184252A - 乱流特性の導出方法および導出装置 - Google Patents
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Description
エンジン50の燃焼室51内の熱流束を検出するためには、まず、燃焼室51の内壁面上の熱輸送に影響する乱流スケールよりも小さな領域内で、図2(B)に示すように、三角形、例えば正三角形の頂点を構成する3点である第1計測点P1〜第3計測点P3で同時に熱流束を計測する。第1計測点P1〜第3計測点P3が正三角形の頂点に配置されていることにより、乱流特性を算出する際の算出式を簡便な式とすることができる。なお、第1計測点P1〜第3計測点P3が頂点に配置される三角形は、正三角形以外の三角形でもよく、例えば、二等辺三角形でもよいし、不等辺三角形でもよい。
エンジン50の燃焼室51内で計測した熱流束データには、ピストン運動に伴う低周波数の変動と乱流運動に伴う高周波数の変動が含まれている。乱流特性を導出する際には、高周波数の変動成分を利用すると歪みの少ない特性が得られるため、低周波数成分を除去した高周波数成分の熱流束データを作成する。なお、ここでの高周波数成分は、熱流束データ(対象とするデータ)から低周波成分が除かれた熱流束データの成分である。
例えば、エンジン50の燃焼室51における第1計測点P1〜第3計測点P3を含む平面上のx−y座標を設定し、図4に示すように、第1計測点P1〜第3計測点P3の3点の座標をそれぞれP1(0,y1)、P2(x2,0)、P3(x3,0)として設定する。この第1計測点P1〜第3計測点P3の3点でそれぞれ計測した熱流束の高周波数成分データをそれぞれ熱流束時系列データfi(t)(i=1,2,3)とする。これらの3つの熱流束時系列データf1(t)、f2(t)、f3(t)の中から、異なる2つのデータを選んだ3通りの組み合わせ(i=1,j=2),(i=2,j=3),(i=3,j=1)に対して、下記(1)式で定義される3つの相互相関係数Φij(Φ12,Φ23,Φ31)を時間差τに対して算出し、算出した相互相関係数Φijが最大値を取る時間差より、2つのセンサ間を乱れが移動する移動時間τij(τ12,τ23,τ31)を求める。なお、相互相関係数Φijとは、2点で観測された信号波形の間の相関の度合いを示し、一方の信号の時間をずらしながら相互相関係数を計算し、最大相関を示す時間差を求めることで、現象や情報が2点間を移動する時間を求められる。ここで、時間差τは想定される乱れの移動時間程度に、また、時間tの変域ta〜tbは乱流変動の複数周期を含むように定める。
乱流の乱れスケールを導出するにあたり、3つの熱流束時系列データf1(t)、f2(t)、f3(t)のそれぞれの自己相関係数Φii(i=1,2,3)を時間差τに対して(4)式で算出し、τ=0の次に極大となる時間差より乱れが各計測点を通過する移動時間τii(i=1,2,3)を求める。なお、自己相関係数Φiiとは、観測された信号波形とその波形の時間をずらした波形間の相関の度合いを示し、極大相関を示す時間差を求めることで、観測波形が持つ周期現象の周期を求められる。
[実施例1]
まず、実施例1について説明する。実施例1では、自動車用ガソリンエンジンを2000RPMの速度でモータリングさせる条件で運転し、一辺が779μmの正三角形の頂点にそれぞれ配置した第1計測点P1から第3計測点P3(図4参照)を燃焼室に設置し、第1計測点P1から第3計測点P3でそれぞれ計測した熱流束から熱流束時系列データを作成した。
図6(A)に示す熱流束データから800Hz以下の周波数成分を含む移動平均データを減ずると、図6(B)に示す高周波数成分データが得られる。ここで得られる高周波数成分データは、乱流変動を含むデータである。図6(A)に示すデータは、乱流変動およびピストン運動に伴う800Hz以下の周波数成分(低周波数成分)の変動が含まれている。低周波数成分には、例えば、ピストン運動に伴う低周波数の変動が含まている。図6(B)に示すデータは、ピストン運動に伴う低周波数の変動などの乱流変動を含むデータに対してはノイズとなる低周波数成分を除去したデータである。
続いて、図6(B)に示す3つの高周波成分熱流束データのグラフにおける2つずつの3組の組み合わせを選択し、(4)式を用いてピストンの上死点前後におけるクランク角度20度の範囲で相互相関係数を計算する。その結果を図7(A)に示す。図7(A)に示すように、第1計測点P1と第2計測点P2との間の相互相関係数Φ12が最大となるクランク角度の差は約2.01°であり、角度差を時間差に換算すると167μsである。相互相関係数Φ12の最大値を取る時間を、第1計測点P1と第2計測点P2の間の乱流変動の移動時間τ12とする。このため、第1計測点P1と第2計測点P2の間の移動時間τ12=167μs(クランク角度=2.01°)が得られる。
図7(A)に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の(3)式に代入することにより、シリンダ周方向の速度(図5に示すx方向の速度)u=0.41m/s、シリンダの周から中心に向かう速度(図5に示すy方向の速度)v=−4.38m/s、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω=19.2krad/sがそれぞれ得られた。なお(3)式におけるl=779μmである。
続いて、図6(B)に示す3つの高周波数成分熱流束データに対して、ピストンの上死点前後におけるクランク角度20度の範囲で自己相関係数を計算する。その結果を図7(B)に示す。図7(B)に示すように、第1計測点P1の自己相関係数Φ11が極大となるクランク角度は約19.0°であり、角度差を時間差に換算すると1582μsである。自己相関係数Φ11がτ=0(クランク角度=0°)の次に極大値をとる正の時間を第1計測点P1の移動時間(通過時間)τ11とする。このため、第1計測点P1の移動時間(通過時間)τ11=1582μs(クランク角度=19.0°)が得られた。
続いて、実施例2について説明する。実施例2では、自動車用ガソリンエンジンを模した実験用エンジンを2000RPMの条件で運転し、一辺が779μmの正三角形の頂点にそれぞれ配置した第1計測点P1から第3計測点P3(図4参照)を燃焼室に設置し、第1計測点P1から第3計測点P3でそれぞれ計測した熱流束から熱流束時系列データを作成した。
図11(A)に示す熱流束データから1200Hz以下の周波数成分を含む移動平均データを減ずると、図11(B)に示す高周波数成分データが得られる。ここで得られる高周波数成分データは、乱流変動を含むデータである。図11(B)に示すデータは、ピストン運動に伴う低周波数の変動などの乱流変動を含むデータに対してはノイズとなる低周波数成分を除去したデータである。
続いて、図11(B)に示す3つの高周波成分熱流束データのグラフにおける2つずつの3組の組み合わせを選択し、(4)式を用いてピストンの上死点前−60°〜0°の範囲で相互相関係数を計算する。その結果を図12(A)に示す。図12(A)に示すように、第1計測点P1と第2計測点P2との間の相互相関係数Φ12が得られる。この相互相関係数Φ12を最大とする時間差から、第1計測点P1と第2計測点P2の間の移動時間τ12=−474μs(クランク角度=−5.70°)が得られる。同様に、第2計測点P2と第3計測点P3の間の移動時間τ23=−0.833μs(クランク角度=−0.01°)、第3計測点P3と第1計測点P1の間の移動時間τ31=427μs(クランク角度=5.12°)が得られる。
図12(A)に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の(3)式に代入することにより、燃焼前の乱流特性として、方向の速度u=−0.18m/s、y方向の速度v=−2.00m/s、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω=0krad/sがそれぞれ得られた。また、図12(B)に示す相互相関解析の結果によって得られる移動時間τ12、τ23、τ31を上記の(3)式に代入することにより、燃焼の乱流特性として、x方向の速度成分u=−13.55m/s、y方向の速度成分v=−4.14m/s、シリンダヘッド内壁面の法線回りの渦度ω=43.6krad/sがそれぞれ得られた。
続いて、図11(A)に示す3つの高周波数成分熱流束データに対して、燃焼前(クランク角度−60°から0°)で自己相関係数を計算する。その結果を図13(A)に示す。図13(A)に示すように、第1計測点P1の自己相関係数Φ11が極大となるクランク角度は約4.44°、そのときの時間差は370μsである。このため、第1計測点P1の移動時間(通過時間)τ11=370μs(クランク角度=4.44°)が得られた。
10…乱流特性導出装置
11…熱流束検出部
12…移動時間算出部
13…乱流特性導出部
20…熱流束センサ
21…アダプタ
22…センサ部
22A…第1計測点
22B…第2計測点
22C…第3計測点
22M…基板
23…貫通穴
50…エンジン
51…燃焼室
52…エンジンブロック
53…吸気バルブ
54…排気バルブ
55…シリンダヘッド
56…ピストン
57…コンロッド
P1…第1計測点
P2…第2計測点
P3…第3計測点
Claims (12)
- 乱流熱伝達場における第1計測点から第3計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、
前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間における移動時間を求め、
前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性の導出方法。 - 前記熱流束の相関係数の所定の関係は、前記熱流束の相関係数が最大となる関係である請求項1に記載の乱流特性の導出方法。
- 前記熱流束の相関係数は、前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間における熱流束の相互相関係数であり、
前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間であり、
前記第1計測点から第3計測点の配置および前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第1計測点から第3計測点を含む平面に沿う速度の直交2成分を導出する請求項1または2に記載の乱流特性の導出方法。 - 前記熱流束の相関係数は、前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間の熱流束の相互相関係数であり、
前記移動時間は、前記相互相関係数を所定関係とする前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間であり、
前記第1計測点から第3計測点の配置および前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、及び前記第3計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間の乱流の移動時間に基づいて、前記乱流特性として、前記第1計測点から第3計測点を含む平面の法線回りの渦度を導出する請求項1または2に記載の乱流特性の導出方法。 - 前記熱流束の相関係数は、前記第1計測点から第3計測点のそれぞれにおける熱流束の自己相関係数であり、
前記自己相関係数および前記第1計測点から第3計測点を含む平面に沿う速度の直交2成分に基づいて、前記乱流特性として、前記乱流熱伝達場内の乱流における乱れのスケールを導出する請求項1または2に記載の乱流特性の導出方法。 - 乱流熱伝達場における第1計測点から第4計測点のそれぞれにおける熱流束を検出し、
前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、前記第3計測点と前記第4計測点、及び前記第4計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間における熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第1計測点と第2計測点、前記第2計測点と前記第3計測点、前記第3計測点と前記第4計測点、及び前記第4計測点と前記第1計測点とのそれぞれの間における移動時間を求め、
前記移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性の導出方法。 - 前記乱流特性として、前記第1計測点から第3計測点を含む平面に沿う速度の直交2成分及び前記平面に垂直な速度の成分を導出する請求項6に記載の乱流特性の導出方法。
- 前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室、タービン、またはボイラー室に形成されている請求項1から7のうちのいずれ1項に記載の乱流特性の導出方法。
- 前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、
前記熱流束の相関係数は、前記熱流束における高周波数成分の相関係数である請求項8に記載の乱流特性の導出方法。 - 前記乱流熱伝達場は、内燃機関の燃焼室に形成されており、
前記第1計測点から第3計測点は、前記燃焼室における上死点にあるピストンの天面よりもシリンダヘッド側に配置されている請求項8または9に記載の乱流特性の導出方法。 - 前記乱流熱伝達場は、気密空間に形成されている請求項1から10のうちのいずれか1項に記載の乱流特性の導出方法。
- 乱流熱伝達場における第1計測点から第3計測点のそれぞれにおける熱流束の相関係数が所定の関係となる前記第1計測点から第3計測点間におけるそれぞれの3つの移動時間を求める移動時間算出部と、
前記3つの移動時間に基づいて、前記乱流熱伝達場における乱流特性を導出する乱流特性導出部と、
を備える乱流特性の導出装置。
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JP2018070922A JP7032801B2 (ja) | 2018-04-02 | 2018-04-02 | 乱流特性の導出方法および導出装置 |
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JP7032801B2 JP7032801B2 (ja) | 2022-03-09 |
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CN111595490A (zh) * | 2020-04-07 | 2020-08-28 | 北京空天技术研究所 | 一种高温气体效应对气动热影响的测量方法 |
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