JP4111938B2

JP4111938B2 - 回流式風洞設備の風速調整装置

Info

Publication number: JP4111938B2
Application number: JP2004248595A
Authority: JP
Inventors: 哲男野上; 正樹長久
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2004-08-27
Publication date: 2008-07-02
Anticipated expiration: 2024-08-27
Also published as: JP2006064571A

Description

本発明は、変動風による、自動車等の空力騒音の試験用として自然風を模擬する空力実験等に使用される回流式風洞設備の風速調整装置に関するものである。

従来、回流式風洞設備は、例えば図９に示すように、吸込口１（コレクタ）にて収集された空気をファン２（送風機）にて風速調整して、ほぼ環状に連続する送風路３を通じて強制的に循環回流させ、吹出口４（ノズル）を通じて測定部５に対し空気を吹き出すものである。そして、その測定部５から吸込口１を通じて空気を収集し、送風路３を通じて再び空気を循環回流させるようになっている。そのような回流式風洞設備では、吹出口４での風速はファン２の回転数により、送風路３を流れる定常流量としての空気主流の流量が決定される。

送風路３の途中である各コーナー部には、空気の流れの方向を変えるコーナーベーン６が設けられている。そのうちファン２の下流側のコーナーベーン６の上流側には空気冷却装置（熱交換器）が設けられている。そして、吹出口４に最も近いコーナーベーン６の下流側には３つの整流金網７ａ，７ｂ，７ｃと整流格子８とが設けられ、測定部５への空気を整流化する構成とされる。なお、吸込口１および吹出口４を囲んで、内部が測定部５である測定室３１が配置されている。また、吸込口１の下流側には、風量の変動を緩和してファン２の吸込側の風量を整えるために複数の脈動防止口３２が設けられている。

このような回流式風洞設備における風速の変更を行う場合には、従来、(i)ファンの回転速度を変更したり、(ii)インレットガイドベーンによるファン吸込み流量を制限したり、(iii)ダンパによるファン吐出流量を制限したり、(iv)ファンの可変ピッチによる流量を制御したりしている。

しかしながら、そのような従来の方法では、(1)応答速度が遅く、早い風速変動を行うことができず、(2)目的とする微小な風速変動を精度良く行うことができず、(3)風洞設備における主流空気の風速制御から、微小な変動領域の風速制御までをひとつの装置で行うため、高機能、高精度、高分解能でヒステリシスのない、高価な装置が必要になる、という問題がある。

つまり、実車サイズの試験を行うような風洞設備において、設備全体が大型であり、風洞設備内の風を変動させようとしても、空気の流れが大きな慣性を有するため、所望の周波数で変動風を再現することは困難である。また、送風機は測定部より離れた位置に設けられているため、送風機で変動風を発生させても、測定部ではその変動が鈍ってしまい、高周期な変動風を作り出すには不向きであるという問題がある。

そこで、吹出しノズルの前段に、開閉手段を備え口径の異なる音速ノズルを複数配置し、圧力制御手段にて圧力調節された圧縮空気を音速ノズルに供給するようにし、開放される音速ノズルの組み合わせと、圧力制御手段における供給圧力の調節とを併用することで、吹出ノズルにおける吹き出し速度を変動させるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開平１０−１９７２１号公報（段落００１７〜００２２，００２５〜００２８及び図１〜図３）

しかしながら、前記音速ノズルを利用した特許文献１記載の技術においては、音速ノズルそれぞれに対してノズルを開閉する開閉手段を設けているので、ノズル手段の構成が複雑なものとなる。そして、音速ノズルの数が多くなるほど、コストアップになる。

しかも、ノズル手段及び圧力制御手段を、コンプレッサで圧縮した主流空気が流れる送風路の途中に設けているので、ノズルの開閉や圧力制御により主流空気の流量を調整しなければならず、吹出速度の調整に大きな駆動力が必要になる。よって、実車サイズについて試験を行うような、流量が多い風洞設備に適用するのは困難である。つまり、特許文献１記載の技術は、被測定物の局所にのみ変動風を当てるようにした、部分的なスポット風を発生させる装置に過ぎないものである。

そこで、発明者は、風洞設備において、ファンによる主流空気（定常流量）に対して強制的に空気を吹き込み、または前記主流空気から強制的に空気を吸い込むことで系全体の流量を変動させ、吹出口での風速を変動させるようにすれば、吹出口での風速を比較的容易に調整できることに着想し、本発明をなすに至ったものである。

本発明は、変動風による、自動車等の空力騒音の試験用として自然風を模擬するよう、風洞設備の吹出口で実現性のある管理された風速変動を行うことを目的とする。

請求項１の発明は、ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、前記流量変動手段は、前記送風路に吹き込む圧縮空気を蓄える高圧貯気槽と、この高圧貯気槽から前記送風路に吹き込む空気量を調整する流量調整手段とを有し、前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し増加させるものであることを特徴とする。

このようにすれば、風洞設備において、送風機によって決定される定常流量の主流空気に、所定量の空気を強制的に吹き込むことで、系全体の空気の流量を増加方向に変動させ、測定部に向けての、吹出口での風速を比較的容易に増加させることができる。

請求項２の発明は、ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、前記流量変動手段は、前記送風路から空気を吸い込む負圧状態の真空槽と、この真空槽に前記送風路から吸い込む空気量を調整する流量調整手段とを有し、前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し減少させることを特徴とする。

このようにすれば、風洞設備において、送風機によって決定される定常流量の主流空気から、所定量の空気を強制的に吸い込むことで、系全体の空気の流量を減少方向に変動させ、測定部に向けての、吹出口での風速を比較的容易に減少させることができる。

請求項３の発明は、ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、前記風量変動手段は、前記送風路に吹き込む圧縮空気を蓄える高圧貯気槽と、この高圧貯気槽から前記送風路に吹き込む空気量を調整する流量調整手段とを有する第１の流量変動手段と、前記流量変動手段は、前記送風路から空気を吸い込む負圧状態の真空槽と、この真空槽に前記送風路から吸い込む空気量を調整する流量調整手段とを有する第２の流量変動手段とを備え、前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し増減させることを特徴とする。

このようにすれば、風洞設備において、送風機による定常流量の主流空気に強制的に所定量の空気を吹き込んで、系全体の空気の流量を増加方向に変動させ、吹出口での風速を増加させたり、送風機による定常流量の主流空気から強制的に所定量の空気を吸い込むことで、系全体の流量を減少方向に変動させ、吹出口での風速を減少させたりできるので、吹出口での風速を比較的容易に増減させることができる。

以上のように、本発明は、流量変動手段にて、送風路を通じて流される主流空気の定常流量を中心として、その定常流量に比べてかなり少ない空気量を増減して、送風路を流れる空気の流量を強制的に変動させるようにしているので、風洞設備の吹出口での風速を瞬時に、また管理された周期で変動させることができる。よって、自動車等の空力騒音の試験用として自然風を模擬するよう、風洞設備の吹出口で実現性のある管理された風速変動を行うことが可能となる。

以下本発明の実施の形態を図面に沿って説明する。なお、基本的な構成は、図９に示すものと同様であるので、同一の構成要素には同一の符号を用い、その説明を省略する。

図１は本発明に係る第１の実施の形態である回流式風洞設備の風速調整装置の概略構成を示す図である。

図１に示すように、送風路３の途中であってファン２の下流に、高圧貯気槽１１Ａが、流量調整弁１２Ａを有する接続通路１３Ａを通じて接続されている。この接続位置は、整流金網７の上流側である。高圧貯気槽１１Ａには、コンプレッサ１４Ａによって高圧の圧縮空気が蓄えられる。つまり、送風路３の途中であってファン２の下流に、送風路３を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段（測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を増加させる流量変動手段）が設けられている。

これにより、ファン２による定常流量Ｇ１に対し、流量調整弁１２Ａにて調整された流量Ｇ２が接続通路１３Ａを通じて空気流となって吹き込まれ、高圧貯気槽１１Ａの下流側で送風路３を流れる流量がＧ１＋Ｇ２に変動（増加）して、吹出口４（開口断面積Ａ１）より、増速された風速ｖでもって空気が吹き出される。つまり、主空気源であるファン２による主流とは別に、補助空気源である高圧貯気槽１１Ａから吹き込む空気によって主流空気の定常流量に対し所定の空気流量を増加させ、吹出口４での風速を増加させる。

この場合、流量調整弁１２Ａの開口断面積が調整され、圧力Ｐ２（＞圧力Ｐ１：主流空気の部分での圧力）で圧縮空気が蓄えられる高圧貯気槽１１Ａから、吹き込む空気の流量が調整される。

このとき、吹出口４での風速ｖは以下のように求められる。

ここで、Ｇ２は、高圧貯気槽１１Ａでの速度０、圧力Ｐ２の静止状態から圧力Ｐ１状態の送風路へ速度ｖ１で吹き込む流量であり、ベルヌーイの定理から、

ｖ１は単位時間あたり、断面積Ａ２を流れる流量に相当するので、

と表すことができる。

すなわち、風速を１０％変動させたい場合は、流量を１０％変動させることで実現できる。

ここで、圧力Ｐ２を固定して断面積Ａ２を周期的に変動させると、流量も周期的に変動させることができる。また、変動の振幅は、圧力Ｐ２を変動させることで変更することができる。

また、図２に示すように、高圧貯気槽１１Ａに代えて、真空ポンプ１４Ｂが接続された負圧状態の真空槽１１Ｂを設けることも可能である。つまり、送風路３の途中であってファン２の下流に、送風路３を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段（測定部５に対し吹出口４を通じて吹き出させる空気の流量を減少させる流量変動手段）が設けることができる。

この場合には、ファン２による流量Ｇ１から、調整された流量Ｇ３が吸い込まれ、流量がＧ１−Ｇ３に変動（減少）して、吹出口４（開口断面積Ａ１）より風速ｖでもって空気が吹き出される。つまり、ファン２による主流空気の流量の一部を外部である真空槽１１Ｂ内に吸い込むことによって、送風路３を通じて流れる空気の流量を減少させ、吹出口４での風速を減少させる。この場合も、流量調整弁１２Ｂが設けられた接続通路１３Ｂを通じて吸い込まれる。

このときは、流量調整弁１２Ｂの開口断面積が調整され、圧力Ｐ３（＜主流部分の圧力Ｐ１）である真空槽１１Ｂに、調整された所定量の流量が吸い込まれる。真空槽１１Ｂの圧力は真空ポンプ１４Ｂによって調整され、流量調整弁１２Ｂの開口断面積Ａ３を調整することで、吸い込み量が調整される。

Ｇ３は、前記図１の場合と同様にして、

と表すことができる。

この場合も、図１と同様に、流量調整弁１２Ｂの開口断面積Ａ３を周期的に変動させることで、流量、すなわち風速を周期的に変動させることができる。

図３も、本発明の一実施の形態であるが、高圧貯気槽１１Ａ及び真空槽１１Ｂを併用した構成とすることで、流量、すなわち風速の変動範囲（調整範囲）を大きくできるものとしている。１４Ｃは下流側に位置する高圧貯気槽１１Ａに対してはコンプレッサとして機能し、上流側に位置する真空槽１１Ｂに対しては真空ポンプとして機能するアクチュエータである。

図３での吹出口４での風速の変動範囲については、図２及び図３で示した装置の組合せとなり、図１の装置での、送風路を流れる空気の流量の変動範囲を０〜１０％、図２の装置での変動範囲を−１０％〜０とすれば、図３の装置では−１０％〜＋１０％の変動範囲で、風速を調整することができるようになる。

流量調整弁１２Ａ，１２Ｂとしては、開口断面積を変動させることができる周知のものを用いることができるが、そのほか、例えば、(1)バタフライ弁などの回転駆動する弁を電動機で連続して（定速で）回転（開閉）させるもの、(2)弁の開閉速度、及び開度を任意に制御するものを用いることも可能である。ここで、(1)のように弁を電動機で連続して（定速で）操作すれば、弁開度を正弦波で変動させることができ、(2)のように弁の開閉速度、及び開度を任意に制御すれば、正弦波のみならず、任意の波形／周期での流量変動を行える。

上記に示すとおり、風速を変動させる際に変動させるべきパラメータは、圧力と、開口断面積及びその変動周期（速度）であり、流量変動手段のパラメータは、高圧貯気槽１１Ａあるいは真空槽１１Ｂの圧力と、流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開口断面積及びそれの変動周期（速度）となる。

なお、前述した実施の形態では、接続通路１３Ａ，１３Ｂには流量調整弁１２Ａ，１２Ｂのみが設けられているが、後述の図７に示す装置と同様に、その流量調整弁１２Ａ，１２Ｂに加えて、圧力調整弁１２Ａ’，１２Ｂ’を設けることも可能である。

風速変動制御の調整する目標値は、補助空気源の圧力目標値を一定値としてもよいし、例えば図４に示すように、風速変動目標値の最大値変動値にゲインを乗じることで補助空気源（高圧貯気槽１１Ａ、真空槽１１Ｂ）の圧力の目標値を変更するようにしてもよい。

また、図５に示すように、風速変動目標値を、補助空気源圧力（高圧貯気槽圧力、真空槽圧力）の絶対値の平方根で割り、その値にゲインを乗じることで流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開口断面積の目標値を設定することができる。また、補助空気源の圧力を一定に制御すれば、図６に示すように、風速変動目標値にゲインを乗じることで流量調整弁の開口断面積の目標値を設定することもできる。ゲインは一定値でもよいが、風速変動目標値をパラメータとした可変ゲインとすることで、より精度の高い変動制御を行うことができる。

図７は、本発明の一実施の形態で、変動する目標値を自動的に制御演算させる場合の構成の一例である。

この場合、高圧貯気槽１１Ａ及び真空槽１１Ｂに圧力検出器２１Ａ，２１Ｂが設けられている。（高圧貯気槽１１Ａ及び真空槽１１Ｂを送風路３に接続する）接続通路１３Ａ，１３Ｂに設けられる流量調整弁１２Ａ，１２Ｂ及び、（高圧貯気槽１１Ａ及び真空槽１１Ｂをアクチュエータ１４Ｃに接続する）接続通路１３Ｃ，１３Ｄに設けられる圧力調整弁１２Ａ’，１２Ｂ’には、それぞれ開度検出器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ａ’，２２Ｂ’が設けられている。ファン２の下流側にはファン風速検出器２３が、吹出口４には吹出口風速検出器２４がそれぞれ設けられている。

これらの検出器２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ，２２Ａ’，２２Ｂ’，２３，２４よりの信号に基づいて、補助空気源（高圧貯気槽１１Ａ及び真空槽１１Ｂ）の圧力目標値Ｐ２，Ｐ３あるいは流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの（開口）断面積目標値が設定される。図８はそのときの制御ブロック図である。ここで、制御演算は、吹出口４での風速ｖについて目標値と検出値（測定値）が同じになるように演算するもので、代表的なものとしてＰＩＤ演算がある。

つまり、風速変動目標値の極性から、高圧貯気槽１１Ａから空気を吹き込んで空気流量を増加させるか、真空槽１１Ｂに空気を吸い込んで空気流量を減少させるかが決定される。吹出口４での風速について目標値と検出値が同じになるように、流量調整弁１２Ａ，１２Ｂによる断面積目標値が演算され、その演算結果に基づき流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開度が調整される。

上記のように構成すれば、以下の点でメリットがある。

(1)構成機器が少なく、構造が簡単になる。

流量変動手段として、アクチュエータ１４Ｃ（コンプレッサ１４Ａ、又は真空ポンプ１４Ｂ）と、タンク（高圧貯気槽１１Ａ、真空槽１１Ｂ）があればよい。

風速の変動（調整）は、主として、流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開度制御（開口断面積の制御）により行うため、制御を簡単なものとすることができる。つまり、風速の変動時に圧力調整弁１２Ａ’，１２Ｂ’にて所定の圧力を保持するようにすればよいからである。

(2)風速の変動を調整する要素は、流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開口面積、タンク（高圧貯気槽１１Ａ、真空槽１１Ｂ）の圧力値であり、両方ともにパラメータとして使用することができるので、風速についての広い調整範囲が実現可能である。

流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開度（開口面積）により風速（空気流量）の調整が可能で、圧力調整機能と組合せて風速（空気流量）を決定できる。流量調整弁１２Ａ，１２Ｂの開閉速度を制御することにより周期的な変動を容易に実現することができる。なお、前記タンクの圧力は任意の値に変更可能で、風速変動制御中は、圧力を一定にする制御をする。

なお、主風速目標値を、変動風速の片振幅分下げて、変動風速の全域を吹出系統だけで担うことで、制御対象を減らしつつ、吸込系統を含めた２系統での制御と同じ効果を簡易に実現することができる。同じように主風速目標値を変動風速の片振幅分上げて、変動風速の全域を吸い込み系統だけで担うことが可能である。

なお、主流空気の定常流量や風速は、ファン２の回転数を制御することで調整される。

なおまた、本発明は、一般的な風洞として回流式風洞に適用したが、風量を回流しないエッフェル式の風洞にも適用することができる。

本発明に係る第１の実施の形態である回流式風洞設備の風速調整装置の概略構成を示す図である。本発明に係る第２の実施の形態である回流式風洞設備の風速調整装置の概略構成を示す図である。本発明に係る第３の実施の形態である回流式風洞設備の風速調整装置の概略構成を示す図である。風速変動制御を調整する補助空気源（高圧貯気層、真空槽）の圧力目標値の設定方法の説明図である。風速変動制御を調整する流量調整弁の断面積目標値の設定方法の説明図である。風速変動制御を調整する流量調整弁の断面積目標値の設定方法の説明図である。変動する目標値を自動的に制御演算させる場合の回流式風洞設備の風速調整装置の一実施の形態の概略構成を示す図である。図７に示す装置の制御ブロック図である。従来の回流式風洞設備の概略構成を示す図である。

符号の説明

１吸込口
２ファン
３送風路
４吹出口
５測定部
６コーナーベーン
７整流金網
８整流格子
９空気冷却装置
１１Ａ高圧貯気槽
１１Ｂ真空槽
１２Ａ，１２Ｂ流量調整弁
１２Ａ’，１２Ｂ’ 圧力調整弁
１３Ａ，１３Ｂ接続通路
１４Ａコンプレッサ
１４Ｂ真空ポンプ
２１Ａ，２１Ｂ圧力検出器
２２Ａ，２２Ｂ流量調整弁開度検出器
２２Ａ’，２２Ｂ’ 圧力調整弁開度検出器
３１測定室
３２脈動防止口

Claims

ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、
前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、
前記流量変動手段は、前記送風路に吹き込む圧縮空気を蓄える高圧貯気槽と、この高圧貯気槽から前記送風路に吹き込む空気量を調整する流量調整手段とを有し、
前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し増加させるものであることを特徴とする回流式風洞設備の風速調整装置。
ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、
前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、
前記流量変動手段は、前記送風路から空気を吸い込む負圧状態の真空槽と、この真空槽に前記送風路から吸い込む空気量を調整する流量調整手段とを有し、
前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し減少させるものであることを特徴とする回流式風洞設備の風速調整装置。
ほぼ環状に連続する送風路を通じて、送風機にて、空気を強制的に循環回流させ、測定部に対し吹出口を通じて吹き出させる前記空気を、整流金網あるいは整流格子によって整流化する回流式風洞設備の風速調整装置において、
前記整流金網あるいは整流格子の上流側に、前記送風路を通じて流される空気の流量を強制的に変動させる流量変動手段が設けられ、
前記流量変動手段は、前記送風路に吹き込む圧縮空気を蓄える高圧貯気槽と、この高圧貯気槽から前記送風路に吹き込む空気量を調整する流量調整手段とを有する第１の手段と、前記送風路から空気を吸い込む負圧状態の真空槽と、この真空槽に前記送風路から吸い込む空気量を調整する流量調整手段とを有する第２の手段とを備え、
前記測定部に対し前記吹出口を通じて吹き出させる空気の流量を、前記主流空気の定常流量に対し増減させるものであることを特徴とする回流式風洞設備の風速調整装置。