JP4784268B2 - 変動風発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、飛行機や車両の空力特性の測定を行う変動風発生装置に関するものである。

風洞設備は飛行機や車両の空力特性を測定する場合に用いるものであり、空力抵抗や騒音の低減を目的としてデータの測定を行うものである。この風洞設備は人工的に空気の流れを生成し、この流れの時間的変動(乱れ)を小さくすることを目標に種々開発されてきた。

しかし、このように流れの変動が小さい流れは、様々な流れの変動がある自然環境状態を再現していないため、風洞試験結果と自然環境状態での試験結果が異なる場合がある。そのため、風洞設備において、任意の流れの変動を生成し、自然環境状態を再現する必要がある。

この流れの変動を生成する装置として、例えば、特許文献1のように風洞の吹き出し口に抵抗体を設置し、この抵抗体を任意周期で動かすことで流れの変動生成を提案したものがある。
また、例えば、特許文献２では風洞管路内に、床面から垂直に三角板を設置し、それを揺動させることで、流れの変動生成を提案したものがある。

特開２００２−１０７２６３号公報 特開平６−３００６６１号公報

上記風洞設備においては、流れに任意周期および任意振幅の変動を生成し、自然環境状態を再現することが必要であり、かつ、空力騒音の測定を行うため、変動風発生装置が騒音を発生しないようにする必要がある。

特許文献１に記載の変動風発生装置では、風洞の吹き出し口に、抵抗体を設置し、この抵抗体を任意周期で動かすことで、流れに変動を生成している。このような手法では抵抗体の下流において、流れに変動を与えることは可能であるが、空間的な流速分布を同一にするよう制御することはできない。

また、流れの変動の振幅を変えるためには、抵抗体を変える必要があるため、試験が容易に行えないという問題がある。さらに、測定部のすぐ上流に抵抗体を設置する必要があるため、この抵抗体から空力騒音が発生する。

また、特許文献２に記載の変動風発生装置では、風洞管路内に、床面から垂直に三角板を設置し、それを揺動させることで、流れに変動を生成している。このような手法でも、三角板の下流では流れに変動を与えることは可能であるが、空間的な流速分布を同一にするような制御を行うことはできないという問題がある。また、特許文献１に記載の変動風発生装置と同様に、主流流れの中に、三角板を設置するので、空力騒音を発生するという課題がある。

本発明の目的は、送風機のパワーを変化させることなく、主流の速度を変えることが可能な変動風発生装置を提供することにある。

上記目的は、主流の空気流が流れる管路と、この管路中に設けられた送風機と、前記管路と連結し試験体を置いて測定するための測定部とを備え、前記送風機によって空気が前記管路中を循環する、主流に流速が任意周期で変動する変動風を発生可能な変動風発生装置において、前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結し前記管路よりも小径の側管路を設け、主流が流れる前記管路の空気流を制御する制御部を、主流が流れる前記管路には設けずこの側管路中に設け、この制御部で前記側管路の開口率を周期的に制御することにより前記開口率の変動周期とほぼ同一周期の変動風を前記測定部で発生可能としたことにより達成される。

また、上記目的は、前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結する側管路を複数本設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記側管路の開口率を制御する制御部を設けたことにより達成される。

また、上記目的は、前記送風機の下流側に前記管路より径の小さな1つ以上の前記側管路を設け、この側管路のそれぞれに開口率を制御する制御弁を設けたことにより達成される。

本発明によれば、送風機のパワーを変化させることなく主流の速度を変えることが可能な変動風発生装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

本発明の第１の実施例を図１に示す。
図１は変動風発生装置の概略構成図である。
図１において、１は回流型風洞において主流１０１が流れる管路である。２は送風機、３は試験体を置いて測定するための測定部である。本実施例では、送風機２を挟んで上流側と下流側間の主流である管路１を管道とは異なる1本の側管路１１で連結し、この側管路１１の開口率を制御する制御弁１２を設置している。換言すると、送風機２をバイパスする側管路１１が送風機２の上流側管路１と下流側管路１に連結されている。

これにより、自然環境状態を再現するための、流れに任意周期の変動を生成でき、かつ変動生成時においても暗騒音の小さな風洞を提供することが可能になるが、そのメカニズムについて説明する。

回流型の風洞は、主流となる管路１内を空気流れ１０１となって風洞を循環する。この空気流れ１０１が一周する間に生じる摩擦等の損失を送風機２が補う構成となっており、常に一定量の空気が管路１内を循環する。そのため、空気が圧縮されていないと考えられる音速の３０％以下の流速（約３６０ｋｍ／ｈ以下）において、送風機２の仕事は、常に同じ空気量の流れに圧力というエネルギを与えていることになり、送風機２の下流側が最も圧力の高い領域となる。

本発明の第１の実施例では、上記の圧力の高い送風機２の下流側と、圧力の低い送風機２の上流側を、主流管路１より径の小さな1本の側管路１１で連結し、その側管路１１にその開口率を制御する制御弁１２を設けたものである。

側管路１１を開閉する制御弁１２の動作により側管路１１が開路状態では、本来の主流流れ１０１の一部が側管路流れ１０２となって側管路１１を流れるため、測定部３に流れる空気量が減り、その流速が落ちる。逆に、側管路１１を制御弁１２によって閉路状態になった場合（開口率０％）には、全ての流れが測定部３に流れるため、側管路１１を開路状態（開口率１００％）と比べて、測定部３に流れ込む空気量が増えることにより流速が上昇する。

このように側管路１１に設けた制御弁１２によって側管路１１内の流れ１０２の空気量を制御することで、測定部に流れる主流１０１の流量すなわち流速を任意周期で変動させることができる。

風洞測定部３の騒音に関して、制御弁１２の開閉によって空力騒音が発生するが、制御弁１２通過時の流速が測定部３の流速に比べ遅く、また測定部３から距離が遠いことから、測定部３の騒音はほとんど上昇しない。

図２（１）は側管路１１を完全に塞いだ状態（開口率０％）、図２（２）は側管路１１の開口率を０〜１００％の範囲に制御弁１２で０．５Ｈｚの正弦波で制御した場合、図２（３）は側管路１１の開口率を０〜１００％の範囲に制御弁１２で２．０Ｈｚの正弦波で制御した場合の、風洞測定部３での流速時間波形を示す。

図２（１）の側管路１１を完全に塞いだ状態（開口率０％）では、風洞測定部で流れの変動がほとんどないことがわかる。一方、図２（２）の側管路１１の開口率を０〜１００％の範囲に制御弁１２で０．５Ｈｚの正弦波で制御した場合は、風洞測定部３で０．５Ｈｚの正弦波状の速度変動が生成されていることがわかる。また、図２（３）の側管路１１の開口率を０〜１００％の範囲に制御弁１２で２．０Ｈｚの正弦波で制御した場合にも、風洞測定部３で２．０Ｈｚの正弦波状の速度変動が生成されていることがわかる。

図３に、本発明の第２の実施例を示す。
図３は第２の実施例を備えた変動風発生装置の概略構成図である。
図３において、１は回流型風洞において主流１０１が流れる管路である。２は送風機、３は試験体を置いて測定するための測定部である。
本実施例において第１の実施例と異なる点は、送風機２の上流側と下流側間を流通する主流の管路１を異なる側管路で連結しているが、この側管路の本数と制御弁の個数を２個とした点である。

それぞれの側管路１１、１３の径は、主流管路１より径が小さければ、異なる大きさでもよい。上記の構成とすることで、第１の実施例と同様に、自然環境状態を再現するための、流れに任意周期の変動を生成でき、かつ変動生成時においても暗騒音の小さな風洞を提供することが可能になる。

その流れの変動振幅を制御することが可能になるが、そのメカニズムについて説明すると、側管路１１または側管路１３それぞれ単独においては、第１の実施例で記載のように、側管路１１または側管路１３の開口率を制御することで、測定部３に任意周期の流れの変動を生成することができる。しかし、測定部３の流れの変動幅は、側管路を全閉状態（開口率０％）の流速を上限、全開状態（開口率１００％）の流速を下限として固定されるため、それぞれの側管路固有の値となる。

そこで、本発明の第２の実施例では、側管路を２つ設けることとした。２つの側管路１１、１３の開口率をその制御弁１２、１４によって同一位相で制御した場合は、１つの径の大きな側管路があると考えることができ、主流管路１に対する側管路面積を大きくすることができる。そのため、主流１０１に比べ側管路１１、１３内の流れ１０２、１０３の空気量を多くすることができ、測定部３に生成する流れの変動の振幅を大きくすることができる。

これに対し、例えば、側管路１１をその制御弁１２によって、完全に塞いでいる状態を保ち、側管路１３を単独で使用した場合は、２つの側管路を同一位相で制御した場合と比べて、主流管路１に対する側管路面積が小さくなり、側管路全体を流れる空気量が少なくなるため、測定部３に生成する流れの変動の振幅が小さくなる。このように、２つの側管路１１、１３を設けることによって、測定部３において、速度変動の生成およびその振幅の制御が可能となる。ここでは、説明のため側管路を2本としたが、それ以上の本数を設けても上記と同様の、速度変動生成効果がある。

図４に、本発明の第３の実施例を示す。
図４は第４の実施例を備えた変動風発生装置の概略構成図である。
図４において、第１および第２の実施例と異なる点は、回流型の風洞ではなく、吹き出し型の風洞の、送風機下流側に一つ以上の開口率を制御できる側管路を設けたことである。
上記の構成とすることで、第１および第２の実施例と同様に、自然環境状態を再現するための、流れに任意周期の変動を生成でき、かつ変動生成時においても暗騒音の小さな風洞を提供することが可能になり、さらにその流れの変動振幅を制御することが可能になる。

そのメカニズムについて説明すると、吹き出し型の風洞は、大気中の空気を取り入れ、測定部に空気流れ１０１を生成している。送風機２は、常に一定量の空気を大気から取り入れ、送風機２の下流側にある測定部３に吹き出している。そのため、空気が圧縮されていないと考えられる音速の３０％以下の流速（約３６０ｋｍ／ｈ以下）において、送風機２の仕事は、常に同じ空気量に圧力というエネルギを与えていることであり、送風機２の下流側が、最も圧力の高い領域となる。

本発明の第３の実施例では、上記の圧力の高い送風機２の下流側に、主流管路１より径の小さな1つ以上の側管路２１、２３を設け（側管路を２つ設置している場合を代表として説明する）、その側管路２１、２３それぞれに開口率を制御する制御弁２２、２４を設けた構成としている。側管路２１、２３の制御弁２２、２４によって側管路２１、２３が完全に空いている状態（開口率１００％）では、本来の主流流れ１０１の一部が側管路２１、２３を通る為、測定部３に流れる空気量が減り、その流速が落ちる。逆に、側管路２１、２３を完全に塞いだ場合（開口率０％）は、全ての流れが測定部３に流れるため、側管路２１、２３を空けた場合と比べて、測定部３に流れ込む空気量が増えることにより流速が上昇する。

このように側管路２１、２３にそれぞれ設けた制御弁２２、２４で、側管路２１、２３の流れ１０４，１０５の量を制御することで、回流型の風洞と同様に、測定部３の流速を任意周期で、かつその振幅を自由に制御できる。

風洞測定部の騒音に関して、制御弁２２、２４の開閉によって空力騒音が発生するが、制御弁２２、２４通過時の流速が測定部３の流速に比べ遅く、また測定部３から距離が遠いことから、測定部３の騒音はほとんど上昇しない。ここでは、説明のため側管路を2つとしたが、側管路を１つとした場合は、回流型の場合と同様に、任意周期の速度変動は生成できるが、その振幅を変化させることはできない。３つ以上の側管路を設置した場合は、上記の側管路を２つ設置した場合と同様の、任意周期および任意振幅の速度変動生成効果がある。

以上ごとく本発明は、
１．主流の空気流が流れる管路と、この管路中に設けられた送風機と、前記管路と連結し試験体を置いて測定するための測定部とを備え、前記送風機によって空気が前記管路中を循環する変動風発生装置において、前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結する側管路を設け、この側管路中に制御弁を設け、この制御弁で前記側管路の開口率を制御するようにしものである。
２．前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結する側管路を複数本設けたものである。
３．前記側管路の開口率を制御する制御部を設けたものである。
４．前記送風機の下流側に前記管路より径の小さな1つ以上の前記側管路を設け、この側管路のそれぞれに開口率を制御する制御弁を設けたものである。

本発明の第１の実施例を備えた変動風発生装置の概略構成図である。 本発明の第１の実施例おける風洞測定部の流れの変動の測定結果を示すグラフ図である。 本発明の第２の実施例を備えた変動風発生装置の概略構成図である。 本発明の第３の実施例を備えた変動風発生装置の概略構成図である。

符号の説明

１…主流管路、２…送風機、３…測定部、１１…側管路１、１２…制御弁１、１３…側管路２、１４…制御弁２、２１…側管路３、２２…制御弁３、２３…側管路４、２４…制御弁４、１０１…主流流れ、１０２…側管路１流れ、１０３…側管路２流れ、１０４…側管路３流れ、１０５…側管路４流れ。

Claims (3)

1. 主流の空気流が流れる管路と、この管路中に設けられた送風機と、前記管路と連結し試験体を置いて測定するための測定部とを備え、前記送風機によって空気が前記管路中を循環する、主流に流速が任意周期で変動する変動風を発生可能な変動風発生装置において、
   前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結し前記管路よりも小径の側管路を設け、主流が流れる前記管路の空気流を制御する制御部を、主流が流れる前記管路には設けずこの側管路中に設け、この制御部で前記側管路の開口率を周期的に制御することにより前記開口率の変動周期とほぼ同一周期の変動風を前記測定部で発生可能としたことを特徴とする変動風発生装置。
2. 請求項１記載の変動風発生装置において、前記送風機を挟んで上流側と下流側間の管路を連結する側管路を複数本設けたことを特徴とする変動風発生装置。
3. 請求項１記載の変動風発生装置において、前記制御部を制御弁としたことを特徴とする変動風発生装置。

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