JP5244556B2

JP5244556B2 - 風洞内における変動風量を予測する方法及び装置

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Publication number: JP5244556B2
Application number: JP2008297955A
Authority: JP
Inventors: 展康坂田; 真弘太田; 真志伊与田; 達也鷺山; 和宏前田; 信幸岩崎; 一伸田中
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toyota Motor Corp
Priority date: 2008-11-21
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: JP2010122152A

Description

本発明は、風洞をモデル化し、シミュレーションによって風洞内における変動風量を予測する方法及び装置に関するものであり、特にファンの吸込口と噴出口の差圧ΔＰとファンによって供給される気流のファン流量Ｑとの関係を予め設定したＰ−Ｑ曲線ファンモデルと、変動風発生装置のモデルとを用いて風洞内における変動風量を予測する方法及び装置に関するものである。

風洞は、人工的に気流を発生させ、該気流の中に試験体を置いて、試験体に働く力や物体周りの流れなどを計測する装置であり、例えば車両の安全性試験等に用いられる。風洞を車両の安全性試験に用いる場合、試験体（車両）が実用化された場合に風速、風向が変化する自然風を受けたり、車両が２台連なって走行する際に前方の車両により風速、風向が乱れた風を受けたりすることを考慮すると、前記風洞では一定の風速・風向の気流だけでなく、風速、風向を変動させた環境下で試験を行う必要がある。

風洞において、風速、風向が変動する環境下で試験を実施するために、風洞内に変動風発生装置を設けて変動風を発生させることが従来から行われている。前記変動風発生装置としては、風洞内の風路にダンパーや翼列を配置し、それらの圧力損失や偏向作用によって風速や風向を変動させる形式がよく知られており、例えば特許文献１には風洞内の流路を横切る面に沿って複数枚の風向制御板を配置し、該風向制御板を揺動することにより気流の流動方向を変動させる変動風発生装置が開示されており、また特許文献２には風洞内の流路に回転軸を有する複数の遮風板を、互いに接触せず且つ回転軸が平行になるように配置し、動力装置によって遮風板を回転させる変動風発生装置が開示されている。

しかしながら、このような従来の変動風発生装置では、変動周波数が高い領域で風速変動幅が小さくなるという現象が確認されているが、まだその原因が明確にはなっていない。また前記ダンパーや翼列の設計思想も明確になっていない。
そのため、新たな変動風発生装置の設計を行う場合には、既設の変動風発生装置の性能データと構造を元に設計を行うが、前記の通りダンパーや翼列の設計思想が明確になっていないために、例えばサイズ、風速等の風洞諸元が既設装置と変わった場合に既設装置の性能データを適用できるかどうかも不明である。
また、変動風発生装置のダンパーや翼列を動かした場合、風洞全体の圧力損失特性が変化するため、風洞の動作特性が変化し、性能の予測が難しい。

従って、新たに変動風発生装置を設計し、製作するためには、前記の通り既設の変動風発生装置の性能データと構造を元に、新たな変動風発生装置の設計を行った後、例えば１／１０サイズ等の小型モデル機やパイロット機を作成し、該小型モデル機やパイロット機で充分に試験を行った後、スケールアップして風洞を製作することが行われている。

図１８に従来行われている新設風洞変動風発生装置を設計し製作して納入するまでのフローチャートを示す。
ステップＳ００１で既設風洞変動風発生装置の構造、ステップＳ００２で既設風洞変動風発生装置の性能データをそれぞれ採取し、ステップＳ００３で新設風洞諸元を決定する。
ステップＳ００４では、前記既設風洞変動風発生装置の構造、既設風洞変動風発生装置の性能データ及び新設風洞諸元を元に、新設風洞変動風発生装置の構造を設計する。
ステップＳ００５では、ステップＳ００４での設計を元に１／１０サイズ程度のモデル機又はパイロット機を製作し、モデル試験又はパイロット試験を実施する。
ステップＳ００６では、前記モデル試験又はパイロット試験の結果が新設風洞変動風発生装置の要求される性能を満たしているか否か判断する。なお、前記要求される性能は風洞の使用目的によって異なる。
ステップＳ００６でＮｏであれば、ステップＳ００４に戻って新設風洞変動風発生装置を設計しなおし、ステップＳ００６でＹｅｓとなるまでステップＳ００４〜ステップＳ００６を繰り返す。
ステップＳ００６でＹｅｓであれば、スケールアップしてステップＳ００７で、ステップＳ００４での設計を元に新設風洞変動風発生装置の実機を製作する。実機でも試験を行いステップＳ００８で要求される性能を満たしているか否か判断する。
ステップＳ００８でＮｏであれば、ステップＳ００９で変動風発生装置を改造して再度ステップＳ００８で要求性能を満たしているか否か判断し、ステップＳ００８でＹｅｓとなるまでステップＳ００８、Ｓ００９を繰り返す。
ステップＳ００８でＹｅｓであれば、完成品としてステップＳ０１０で納入する。

実開平２−１１８８４８号公報特開２００５−３５１７９１号公報

しかしながら、図１８で示したようなフローチャートで変動風発生装置を設計し製作すると、変動風発生装置の設計思想が前述の通りまだ明確になっていないため、図１８におけるステップＳ００４〜ステップＳ００６の繰り返しや、ステップＳ００８とステップＳ００９の繰り返し作業が多くなり、繰り返し作業に要する工数、コストが多くなる可能性が高い

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、前記繰り返し作業を減少させることができるように、前記モデル試験又はパイロット試験に換えて使用できるような、風洞をモデル化し、シミュレーションによって風洞内における変動風量を予測する方法及び装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、
気流が流れる流路と、該流路に気流を供給するファンと、前記流路と連結され試験体が置かれる計測部と、前記流路内に配設され気流を変動させる変動風発生装置とを備えた風洞をモデル化し、シミュレートによって風洞内における変動風量を予測する方法であって、前記ファンによって風洞内に供給される気流を、前記変動風発生装置によって変動させることで、該変動風発生装置による圧力損失又は気流に加えられるモーメンタムを継続的に変化させ、前記風洞内の気流の初期流量と、前記圧力損失又はモーメンタムとを入力値として、数値流体力学（ＣＦＤ）解析によって、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧を出力し、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧ΔＰと前記ファンによって供給される気流のファン流量Ｑの関係を予め設定したＰ−Ｑ曲線ファンモデルを用いて、前記差圧の出力値から気流のファン流量を算出し、前記算出ファン流量を前記初期流量と置き換えるとともに、前記変動風発生装置による圧力損失又は気流に加えられるモーメンタムを継続的に変化させ、前記ＣＦＤ解析及びファンモデルを用いてファン流量を算出することを繰り返して、風洞内の変動風量の時間的変化を予測することを特徴とする。

風洞に用いるファンは、定格回転数で作動していたとしても、流路の圧力損失により流れる流量が変化する。実際の現象をファンの羽と回転から直接模擬することは困難であるため、予めファン吸込口と噴出口との差圧ΔＰとファン流量Ｑの関係を表したＰ−Ｑ曲線ファンモデルを作成しておく。該Ｐ−Ｑ曲線ファンモデルは、事前にΔＰとＱを実測して作成しておくことができる。

このようにしてＰ−Ｑ曲線ファンモデルを導入し、前記変動風発生装置による圧力損失又は気流に加えられるモーメンタムを継続的に変化させ、ファン出口と入口に発生した差圧からファンの風量を継続して計算することで、変動風発生装置による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。
なお、風洞は、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式でも、循環式となる回流式でも何れでもよい。Ｐ−Ｑ曲線ファンモデルのインプットデータを、噴出し式ではファン下流圧力、回流式ではファン前後差圧とすればよいからである。
また、ファンのモデル化としては、ファンの前後をそれぞれ出口境界、入口境界として別々に計算する方法と、領域として繋げたままで、ファンによる運動量付加分をソース項として与える方法などがある。

本シミュレーションを用いることで、サイズ、ファン特性、計測部形状、風速等が既設風洞と異なる新設風洞に対してであっても、ダンパーの諸元を事前検討することができるため、従来風洞を設計し製作するまでの間で必要であったモデル試験又はパイロット試験が必要なくなるため風洞製作に関するコストを大幅に削減することが可能となる。また、実機における性能未達による後戻り改造作業発生の可能性も低くなり、後戻り改造作業による製作コスト増のリスクを低減することができる。

課題を実現するための装置発明として、気流が流れる流路と、該流路に気流を供給するファンと、前記流路と連結され試験体が置かれる計測部と、前記流路内に配設され前記気流を変動させて変動値を与える変動風発生装置とを備えた風洞をモデル化し、シミュレートによって風洞内における変動風量を予測する装置であって、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧ΔＰと、前記ファンによって供給される気流のファン流量Ｑとの関係を予め設定したＰ−Ｑ曲線ファンモデルと、前記変動風発生装置を静止させた初期状態における風洞内の初期流量を解析する初期条件解析手段と、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の前記変動風発生装置によって与えられる変動値を求める変動値算出手段と、前記初期流量と、前記変動値とを入力値として、数値流体力学（ＣＦＤ）解析によって、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧を出力するＣＦＤ解析手段と、前記ファンモデルを用いて、前記差圧の出力値からファン流量を算出するファン流量算出手段と、前記ファン流量の算出値を前記初期流量と置き換え、前記変動値算出手段、ＣＦＤ解析手段及びファン流量算出手段を用いて、さらに一定時間Δｔ経過後のファン流量を算出する繰り返し手段とを設け、前記繰り返し手段により、所望時間経過まで繰り返してファン流量を算出することで、風洞内の変動風量の時間的変化を予測することを特徴とする。

また、前記変動風発生装置が、スライディングメッシュ法を用いて可動物体としてモデル化したダンパーであり、前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後のダンパー角度を計算するダンパー角度算出手段であって、前記初期流量と前記ダンパー角度とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする。

スライディングメッシュ法を用いてダンパーを可動物体としてモデル化することで、ファンのＰ−Ｑ特性とダンパーの開度変化による風洞全体圧力損失の変化を考慮した検討を行うことが可能となる。
また、非定常的なシミュレーションを実施することで、ダンパーの開閉が、ファン作動点に影響を及ぼすまでの時間遅れを考慮した検討が可能であり、静的な風速変化と動的な風速変化の差を考慮することができる。従って、実機における性能未達による後戻り改造作業発生の可能性も低くなり、後戻り改造作業による製作コスト増のリスクを低減することができる。

また、前記変動風発生装置が、ダンパーの開口率と、ダンパーでの圧力損失との関係を予め設定したダンパーモデルであり、前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後のダンパー角度を計算し、前記ダンパーモデルを用いて、前記ダンパー角度の計算値からダンパーでの圧力損失を算出する圧力損失算出手段であって、前記初期流量と前記圧力損失とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする。

変動風発生装置を、ダンパー角度から算出した開口率と、ダンパーでの圧力損失との関係を予め設定したダンパーモデルとすることで、変動風発生装置を可動物体としてシミュレートする場合と比較すると、ダンパーの可動に関わるシミュレートが必要なくなるため、計算時間の大幅な短縮が可能となる。

また、前記変動風発生装置が、スライディングメッシュ法を用いて可動物体としてモデル化した翼列であり、前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の翼列の迎角を計算する迎角算出手段であって、前記初期流量と前記迎角とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする。

これにより、翼列回転による風洞全体の圧力損失の変化によって生じる流量変化の風向変動成分への影響を統合的に検討できるため、実機における性能未達による後戻り改造作業発生の可能性も低くなり、後戻り改造作業による製作コスト増のリスクを低減することができる。

また、前記変動風発生装置が、翼列の迎角と、モーメンタムとの関係を予め設定したモーメンタムモデルであり、前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の翼列の迎角を計算し、前記モーメンタムモデルを用いて、前記翼列の迎角の計算値からモーメンタムを算出するモーメンタム算出手段であって、前記初期流量と前記モーメンタムとを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする。

変動風発生装置を、翼列の迎角と、モーメンタムとの関係を予め設定したモーメンタムモデルとすることで、変動風発生装置を可動物体としてシミュレートする場合と比較すると、ダンパーの可動に関わるシミュレートが必要なくなるため、計算時間の大幅な短縮が可能となる。

また、前記流路内に、風洞内全体の圧力損失を調整するための抵抗板を挿入することを特徴とする。
実機の風洞内には消音器などの部材が配置されており、前記ファンモデル及び変動風発生装置のモデルだけでは風洞内全体を圧力損失を再現することは難しいが、抵抗板を挿入することによって再現が可能となって、より実機に近い状態でのシミュレーションが可能となるため、実機における性能未達による後戻り改造作業発生の可能性も低くなり、後戻り改造作業による製作コスト増のリスクを低減することができる。

以上記載のごとく本発明によれば、従来のモデル試験又はパイロット試験に換えて使用できるような、風洞をモデル化し、シミュレーションによって風洞内における変動風量を予測する方法及び装置を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

図１は、実施例１に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例１では、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化している。
図１において、１０はモデル化された風洞である。該モデル化された風洞１０は、気流が流れる流路１１、ファンをモデル化したファンモデル１２、前記流路１１と連結され試験体が置かれる計測部１３、可動物体としてモデル化したダンパー１４、及び風洞内の圧損を調整するための抵抗板１５から構成される。

風洞に用いるファンは、定格回転数で作動していても、流路の圧力損失により、流量が変化する。このような実際のファンの現象を、ファンの羽と回転から直接模擬してモデル化することは困難であることから、ファンモデル１２は、事前に測定されたファン出入口の差圧と流量の関係から、近似関数を作成したモデルとする。
また、前記可動物体としてモデル化したダンパー１４は、汎用コードの機能の１つであるスライディングメッシュ法を用いてダンパーを模擬して可動物体としてモデル化している。
また、実機の風洞内には消音器など複数の部材が配置されており、前記ファンモデル１２及びダンパー１４だけでは風洞内全体の圧力損失を再現することは難しいが、抵抗板１５を挿入することによって再現が可能となって、より実機に近い状態でのシミュレーションが可能としている。

このようにモデル化された風洞１０を用いて、前記可動物体としてモデル化したダンパー１４を開閉することによって、ダンパー１４の開閉による非定常的な流れ場を数値流体力学（ＣＦＤ）解析を用いて数値シミュレーションすることができる。
数値流体力学（ＣＦＤ）解析とは、流体の運動に関する方程式をコンピュータで解くことによって流れを観察する数値解析によるシミュレーション手法であり、一般には次の（１）〜（４）に示したような手順で行われる。
（１）モデルデータの作成
対象となる物体の形状を再現したモデルを作成する。
本実施例においては図１に示したモデルがこれにあたる。
（２）解析メッシュの作成
数値流体力学（ＣＦＤ）では空間を離散的に扱うため、物体形状及び周囲の空間を離散かする必要があり、そのためメッシュを作成する。メッシュ作成には、四面体を用いた非構造格子法、直方体を用いた直交格子法など色々な手法があるが、どのような手法でメッシュを作成するかはモデル化する風洞によって選択することができる。
（３）解析
コンピュータを用いてメッシュ毎の流れ方程式の近似解を求める。計算の結果として各メッシュ毎の圧力、流速、密度などが求まる。メッシュ数や、コンピュータの性能にもよるが、長い時間を必要とすることが多い。
（４）可視化
必要に応じて、流れ場の把握などのために、解析結果の可視化を行う。可視化は例えば、圧力分布を色で表現したり、流線を曲線で表したり、渦度を等値面で表したりすることで実現できる。

図２は実施例１に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
前記シミュレーションについて、図２を用いて説明する。
なお、前記ＣＦＤ解析には市販の解析ソフトを使用することができ、本実施例においては、ＣＤ−ａｄａｐｃｏ社製の汎用流体解析ソフトであるＳＴＡＲ−ＣＤを使用する。
図１に示したような風洞１０のモデルが作成されると、ステップＳ１０１で解析を行うための解析メッシュを作成する。
ステップＳ１０１で解析メッシュが作成されると、ステップＳ１０２でダンパー作動周波数を設定する。ダンパー作動周波数とは、前記可動物体としてスライディングメッシュ法を用いてモデル化したダンパー１４を、単位時間当たりに開閉（回転）させる回数のことである。

ステップＳ１０２で解析ダンパー作動周波数が設定されると、ステップＳ１０３で初期状態の解析を実施し、初期状態における風洞内の初期流量を求める。ここで、初期状態とは、前記モデル化したダンパー１４を静止させた状態のことをいう。

ステップＳ１０３で初期状態解析が終了すると、次に動的な解析を実施する。
ステップＳ１０４で、一定時間（Δｔ）だけ時間を進行させる。
一定時間（Δｔ）だけ時間が進行されると、ステップＳ１０５で進行された時間（Δｔ）の経過分に対応する、ダンパーの回転角度（Δα）を前記ステップＳ１０２で設定したダンパーの作動周波数に従って計算する。
ステップＳ１０５でダンパーの回転角度（Δα）の計算が実行されると、ステップＳ１０６でスライディングメッシュ機能により、計算された角度（Δα）だけダンパー１４を回転させる。

ステップＳ１０６でダンパーを角度Δαだけ回転させると、前記ステップＳ１０３で求めた初期流量と、ステップＳ１０６でスライディングメッシュ機能によって回転させたダンパー角度を入力条件として、ステップＳ１０７でＣＦＤシミュレーションにより流れ場の解析を実施する。
ステップＳ１０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ１０８でファンモデル１２におけるファン噴出圧力ΔＰが出力される。本実施例１においては、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化しているため、前記出口圧力ΔＰがファンモデル１２の吸込口と噴出口の差圧となる。

ステップＳ１０８でファン噴出圧力ΔＰが算出されると、ステップＳ１０９で次のステップ流量Ｑを算出する。前述のようにファンモデル１２が事前に測定された圧力と流量の関係から、近似関数を作成したモデルであるため、ファンモデル１２に圧力ΔＰを代入することで次のステップ流量Ｑを算出することができる。
そして、ステップＳ１１０で次のステップの境界条件ｖを算出する。これはステップＳ１０９で求めた次のステップ流量Ｑをファンの断面積Ａで除することで算出することができる。

ステップＳ１１１では、ステップＳ１０４で進行させた後の時間ｔが、予め設定した終了時間ｔ_Ｅ以上か否かを判断する。
ステップＳ１１１でＮＯと判断されると、ステップＳ１０９で算出した次ステップ流量Ｑを前記初期流量と置き換えて、ステップＳ１０４に戻ってさらに時間をΔｔだけ進行させる。そしてこのステップＳ１０４〜Ｓ１１１を時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上となるまで繰り返す。
ステップＳ１１１で時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上と判断されると、ステップＳ１１２に進み処理を終了する。

こうして、図１に示したように風洞をモデル化し、図２に示したフローチャートに従って解析を実施することで、変動風発生装置（ダンパー）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。

図３は、実施例２に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例２では、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化している。図３に示した風洞２０のモデルは、図１に示した風洞１０のモデルのダンパー１４をダンパーモデル２４に置き換えた以外は図１と同じであり、同一符号は同一物を表しており、図１と同一物については説明を省略する。
ダンパーモデル２４は、事前に測定したデータ又は過去のデータベースによる近似式から、ダンパーの角度に対する圧力損失の式を作成し、ダンパーの回転角度に応じて、数値的に圧力損失係数を与えるモデルであり、ダンパーの圧損をダンパー角度に対してマップ化したものである。

図４は実施例２に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
実施例２におけるシミュレーションについて、図４を用いて説明する。
なお、前記ＣＦＤ解析には実施例１と同じく、ＣＤ−ａｄａｐｃｏ社製の汎用流体解析ソフトであるＳＴＡＲ−ＣＤを使用する。
図３に示したような風洞２０のモデルが作成されると、ステップＳ２０１で解析を行うための解析メッシュを作成し、ステップＳ２０２でダンパー圧損係数を設定する。ダンパー圧損係数とは、ダンパーモデル１４のダンパー角度を、単位時間当たりにどれだけ回転させるかのことである。ステップＳ２０２でダンパー圧損係数が設定されると、ステップＳ２０３で初期状態の解析を実施し、初期状態における風洞内の初期流量を求める。

ステップＳ２０３で初期状態解析が終了すると、次に動的な解析を実施する。
ステップＳ２０４で、一定時間（Δｔ）だけ時間を進行させ、ステップＳ２０５で、進行された時間（Δｔ）の経過分に対応する、ダンパーの回転角度（Δα）を前記ステップＳ２０２で設定したダンパー圧損係数に従って計算する。
ステップＳ２０５でダンパーの回転角度（Δα）の計算が実行されると、ステップＳ２０６で計算されたダンパー角度（α＋Δα）に対応する圧力損失係数をダンパーモデル１４のマップから読み出し設定する。

ステップＳ２０６で圧力損失計数が設定されると、前記ステップＳ２０３で求めた初期流量と、ステップＳ２０６で設定された圧力損失係数を入力条件として、ステップＳ２０７でＣＦＤシミュレーションにより流れ場の解析を実施する。
ステップＳ２０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ２０８でファンモデル１２におけるファン噴出圧力ΔＰが出力される。本実施例２においては、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化しているため、前記出口圧力ΔＰがファンモデル１２の吸込口と噴出口の差圧となる。

ステップＳ２０８でファン噴出圧力ΔＰが算出されると、ステップＳ２０９でファンモデル１２に従い次のステップ流量Ｑを算出する。
そして、ステップＳ２１０で次のステップの境界条件ｖを算出する。

ステップＳ２１１では、ステップＳ２０４で進行させた後の時間ｔが、予め設定した終了時間ｔ_Ｅ以上か否かを判断する。
ステップＳ２１１でＮＯと判断されると、ステップＳ２０９で算出した次ステップ流量Ｑを前記初期流量と置き換えて、ステップＳ２０４に戻ってさらに時間をΔｔだけ進行させる。そしてこのステップＳ２０４〜Ｓ２１１を時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上となるまで繰り返す。
ステップＳ２１１で時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上と判断されると、ステップＳ２１２に進み処理を終了する。

こうして、図３に示したように風洞をモデル化し、図４に示したフローチャートに従って解析を実施することで、変動風発生装置（ダンパー）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。また、ダンパーをスライディングメッシュでモデル化せずに、ダンパーモデルを使用しているため、計算時間が先の実施例１と比較して短縮することができる。

図５は、実施例３に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例３では、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化している。図５に示した風洞３０のモデルは、図１に示した風洞１０のモデルのダンパー１４を可動物体としてモデル化された翼列３４に置き換えた以外は図１と同じであり、同一符号は同一物を表しており、図１と同一物については説明を省略する。
翼列３４は、汎用コードの機能の１つであるスライディングメッシュ法を用いて翼列を模擬して可動物体としてモデル化している。

図６は実施例３に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
実施例３におけるシミュレーションについて、図６を用いて説明する。
なお、前記ＣＦＤ解析には実施例１、２と同じく、ＣＤ−ａｄａｐｃｏ社製の汎用流体解析ソフトであるＳＴＡＲ−ＣＤを使用する。
図５に示したような風洞３０のモデルが作成されると、ステップＳ３０１で解析を行うための解析メッシュを作成し、ステップＳ３０２で翼作動周波数を設定する。翼作動周波数とは前記可動物体としてスライディングメッシュ法を用いてモデル化した翼列３４を、単位時間当たりに開閉（回転）させる回数のことである。ステップＳ３０２で翼作動周波数が設定されると、ステップＳ３０３で初期状態の解析を実施し、初期状態における風洞内の初期流量を求める。

ステップＳ３０３で初期状態解析が終了すると、次に動的な解析を実施する。
ステップＳ３０４で、一定時間（Δｔ）だけ時間を進行させ、ステップＳ３０５で、進行された時間（Δｔ）の経過分に対応する、翼角度（α）を前記ステップＳ３０２で設定した翼作動周波数に従って計算する。
ステップＳ３０５で翼角度（α）の計算が実行されると、ステップＳ３０６でスライディングメッシュ機能により、計算された角度（α）だけ翼列３４を回転させる。

ステップＳ３０６で翼を回転させると、前記ステップＳ３０３で求めた初期流量と、ステップＳ３０６でスライディングメッシュ機能によって回転させた翼角度を入力条件として、ステップＳ３０７でＣＦＤシミュレーションにより流れ場の解析を実施する。
ステップＳ３０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ３０８でファンモデル１２におけるファン噴出圧力ΔＰが出力される。本実施例３においては、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化しているため、前記出口圧力ΔＰがファンモデル１２の吸込口と噴出口の差圧となる。

ステップＳ３０８でファン噴出圧力ΔＰが算出されると、ステップＳ３０９でファンモデル１２に従い次のステップ流量Ｑを算出する。そして、ステップＳ３１０で次のステップの境界条件ｖを算出する。

ステップＳ３１１では、ステップＳ３０４で進行させた後の時間ｔが、予め設定した終了時間ｔ_Ｅ以上か否かを判断する。
ステップＳ３１１でＮＯと判断されると、ステップＳ３０９で算出した次ステップ流量Ｑを前記初期流量と置き換えて、ステップＳ３０４に戻ってさらに時間をΔｔだけ進行させる。そしてこのステップＳ３０４〜Ｓ３１１を時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上となるまで繰り返す。
ステップＳ３１１で時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上と判断されると、ステップＳ３１２に進み処理を終了する。

こうして、図５に示したように風洞をモデル化し、図６に示したフローチャートに従って解析を実施することで、変動風発生装置（翼列）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。

図７は、実施例４に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例４では、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化している。図７に示した風洞４０のモデルは、図１に示した風洞１０のモデルのダンパー１４を翼列モーメンタムモデル４４に置き換えた以外は図１と同じであり、同一符号は同一物を表しており、図１と同一物については説明を省略する。
翼列モーメンタムモデル４４は、通常の翼データとして得られる翼角度に対する空気力から、流れに加えられるモーメンタムを数値化するモデルであり、モーメンタムを翼角度に対してマップ化したものである。

図８は実施例４に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
実施例４におけるシミュレーションについて、図８を用いて説明する。
なお、前記ＣＦＤ解析には実施例１と同じく、ＣＤ−ａｄａｐｃｏ社製の汎用流体解析ソフトであるＳＴＡＲ−ＣＤを使用する。
図７に示したような風洞４０のモデルが作成されると、ステップＳ４０１で解析を行うための解析メッシュを作成し、ステップＳ４０２で翼作動周波数を設定する。翼作動周波数とは、翼列モーメンタムモデル１４の翼角度を、単位時間当たりにどれだけ回転させるかのことである。ステップＳ４０２で翼作動周波数が設定されると、ステップＳ４０３で初期状態の解析を実施し、初期状態における風洞内の初期流量を求める。

ステップＳ４０３で初期状態解析が終了すると、次に動的な解析を実施する。
ステップＳ４０４で、一定時間（Δｔ）だけ時間を進行させ、ステップＳ４０５で、進行された時間（Δｔ）の経過分に対応する、翼角度（α）を前記ステップＳ４０２で設定した翼作動周波数に従って計算する。
ステップＳ４０５で翼角度（Δα）の計算が実行されると、ステップＳ４０６で計算された翼角度（α）に対応するモーメンタムを翼列モーメンタムモデル４４のマップから読み出し設定する。

ステップＳ４０６で圧力損失計数が設定されると、前記ステップＳ４０３で求めた初期流量と、ステップＳ４０６で設定されたモーメンタムを入力条件として、ステップＳ４０７でＣＦＤシミュレーションにより流れ場の解析を実施する。
ステップＳ４０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ４０８でファンモデル１２におけるファン噴出圧力ΔＰが出力される。本実施例４においては、ファンに対して流路が一方通行となる噴出し式の風洞をモデル化しているため、前記出口圧力ΔＰがファンモデル１２の吸込口と噴出口の差圧となる。

ステップＳ４０８でファン噴出圧力ΔＰが算出されると、ステップＳ４０９でファンモデル１２に従い次のステップ流量Ｑを算出する。
そして、ステップＳ４１０で次のステップの境界条件ｖを算出する。

ステップＳ４１１では、ステップＳ４０４で進行させた後の時間ｔが、予め設定した終了時間ｔ_Ｅ以上か否かを判断する。
ステップＳ４１１でＮＯと判断されると、ステップＳ４０９で算出した次ステップ流量Ｑを前記初期流量と置き換えて、ステップＳ４０４に戻ってさらに時間をΔｔだけ進行させる。そしてこのステップＳ４０４〜Ｓ４１１を時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上となるまで繰り返す。
ステップＳ４１１で時間ｔが終了時間ｔ_Ｅ以上と判断されると、ステップＳ４１２に進み処理を終了する。

こうして、図７に示したように風洞をモデル化し、図８に示したフローチャートに従って解析を実施することで、変動風発生装置（ダンパー）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。また、翼列をスライディングメッシュでモデル化せずに、翼列モーメンタムモデルを使用しているため、計算時間が先の実施例３と比較して短縮することができる。

図９は、実施例５に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例５では、ファンに対して循環流路となる回流式の風洞をモデル化している。図９に示した風洞５０のモデルは、図１に示した風洞１０のモデルの流路１１を循環式の流路５１に置き換え、流路内に気流の流れ方向を変える変流翼５６を設けた以外は図１と同じであり、同一符号は同一物を表している。

図１０は実施例５に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
図１０に示したフローチャートは、ステップＳ５０１〜Ｓ５１２がそれぞれ、図２に示した実施例１のフローチャートのステップＳ１０１〜Ｓ１１２に対応し、Ｓ１０８とＳ５０８が異なる以外は同一であるため、Ｓ５０８以外は説明を省略する。
ステップＳ５０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ５０８でファンモデル１２におけるファン入口圧力（Ｐ前）とファン出口圧力（Ｐ後）が算出され、ファン差圧ΔＰが出力される。

こうして、図９に示したように風洞をモデル化し、図１０に示したフローチャートに従って解析を実施することで、回流式の風洞においても、変動風発生装置（ダンパー）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。

図１１は、実施例６に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例６では、ファンに対して循環流路となる回流式の風洞をモデル化している。図１１に示した風洞６０のモデルは、図３に示した風洞２０のモデルの流路１１を循環式の流路５１に置き換え、流路内に気流の流れ方向を変える変流翼５６を設けた以外は図３と同じであり、同一符号は同一物を表している。

図１２は実施例６に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
図１２に示したフローチャートは、ステップＳ６０１〜Ｓ６１２がそれぞれ、図４に示した実施例２のフローチャートのステップＳ２０１〜Ｓ２１２に対応し、Ｓ２０８とＳ６０８が異なる以外は同一であるため、Ｓ６０８以外は説明を省略する。
ステップＳ６０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ６０８でファンモデル１２におけるファン入口圧力（Ｐ前）とファン出口圧力（Ｐ後）が算出され、ファン差圧ΔＰが出力される。

こうして、図１１に示したように風洞をモデル化し、図１２に示したフローチャートに従って解析を実施することで、回流式の風洞においても、変動風発生装置（ダンパー）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。また、ダンパーをスライディングメッシュでモデル化せずに、ダンパーモデルを使用しているため、計算時間が先の実施例１と比較して短縮することができる。

図１３は、実施例７に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例７では、ファンに対して循環流路となる回流式の風洞をモデル化している。図１３に示した風洞７０のモデルは、図５に示した風洞３０のモデルの流路１１を循環式の流路５１に置き換え、流路内に気流の流れ方向を変える変流翼５６を設けた以外は図５と同じであり、同一符号は同一物を表している。

図１４は実施例７に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
図１４に示したフローチャートは、ステップＳ７０１〜Ｓ７１２がそれぞれ、図６に示した実施例３のフローチャートのステップＳ３０１〜Ｓ３１２に対応し、Ｓ３０８とＳ７０８が異なる以外は同一であるため、Ｓ７０８以外は説明を省略する。
ステップＳ７０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ７０８でファンモデル１２におけるファン入口圧力（Ｐ前）とファン出口圧力（Ｐ後）が算出され、ファン差圧ΔＰが出力される。

こうして、図１３に示したように風洞をモデル化し、図１４に示したフローチャートに従って解析を実施することで、回流式の風洞においても、変動風発生装置（翼列）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。

図１５は、実施例８に係るモデル化した風洞の構成図である。
本実施例８では、ファンに対して循環流路となる回流式の風洞をモデル化している。図１５に示した風洞８０のモデルは、図７に示した風洞４０のモデルの流路１１を循環式の流路５１に置き換え、流路内に気流の流れ方向を変える変流翼５６を設けた以外は図７と同じであり、同一符号は同一物を表している。

図１６は実施例８に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。
図１６に示したフローチャートは、ステップＳ８０１〜Ｓ８１２がそれぞれ、図８に示した実施例４のフローチャートのステップＳ４０１〜Ｓ４１２に対応し、Ｓ４０８とＳ８０８が異なる以外は同一であるため、Ｓ８０８以外は説明を省略する。
ステップＳ８０７でＣＦＤシミュレーションによって解析することで、ステップＳ８０８でファンモデル１２におけるファン入口圧力（Ｐ前）とファン出口圧力（Ｐ後）が算出され、ファン差圧ΔＰが出力される。

こうして、図１５に示したように風洞をモデル化し、図１６に示したフローチャートに従って解析を実施することで、回流式の風洞においても、変動風発生装置（翼列）による非定常的な流れ場を数値シミュレーションすることができる。また、ダンパーをスライディングメッシュでモデル化せずに、翼列モーメンタムモデルを使用しているため、計算時間が先の実施例１と比較して短縮することができる。

以上、実施例１〜８で説明したようなシミュレーションを用い、新たに変動風発生装置を設計し、製作するためのフローチャートを図１７に示す。
ステップＳ１で既設風洞変動風発生装置の構造、ステップＳ２で既設風洞変動風発生装置の性能データをそれぞれ採取し、ステップＳ３で新設風洞諸元を決定する。
ステップＳ４では、前記既設風洞変動風発生装置の構造、既設風洞変動風発生装置の性能データ及び新設風洞諸元を元に、新設風洞変動風発生装置の構造を設計する。
ステップＳ５では、ステップＳ４での設計を元に例えば実施例１〜８で説明したようなシミュレーションを実施する。
ステップＳ６では、前記シミュレーションの結果が新設風洞変動風発生装置の要求される性能を満たしているか否か判断する。なお、前記要求される性能は風洞の使用目的によって異なる。
ステップＳ６でＮｏであれば、ステップＳ４に戻って新設風洞変動風発生装置を設計しなおし、ステップＳ６でＹｅｓとなるまでステップＳ４〜ステップＳ６を繰り返す。
ステップＳ６でＹｅｓであれば、ステップＳ７で、ステップＳ４での設計を元に新設風洞変動風発生装置の実機を製作する。実機で試験を行いステップＳ８で要求される性能を満たしているか否か判断する。ステップＳ８でＮｏであれば、ステップＳ９で変動風発生装置を改造して再度ステップＳ８で要求性能を満たしているか否か判断し、ステップＳ８でＹｅｓとなるまでステップＳ８、Ｓ９を繰り返す。
ステップＳ８でＹｅｓであれば、完成品としてステップＳ１０で納入する。
こうすることによって、従来必要であったモデル試験又はパイロット試験が不要となるため、納期の短縮や、作成にかかる費用の大幅な削減が可能となる。

風洞をモデル化し、シミュレーションによって風洞内における変動風量を予測することで、風洞及び変動風発生装置の設計に利用することができる。

実施例１に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例１に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例２に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例２に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例３に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例３に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例４に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例４に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例５に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例５に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例６に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例６に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例７に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例７に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。実施例８に係るモデル化した風洞の構成図である。実施例８に係るシミュレーションの手順を示すフローチャートである。本発明のシミュレーションを用い、新たに変動風発生装置を設計し、製作するためのフローチャートである。従来の、新たに変動風発生装置を設計し、製作するためのフローチャートである。

符号の説明

１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０モデル化された風洞
１１、５１流路
１２ファンモデル
１３計測部
１４ダンパー
１５抵抗板
２４ダンパーモデル
３４翼列
４４翼列モーメンタムモデル

Claims

気流が流れる流路と、該流路に気流を供給するファンと、前記流路と連結され試験体が置かれる計測部と、前記流路内に配設され気流を変動させる変動風発生装置とを備えた風洞をモデル化し、シミュレートによって風洞内における変動風量を予測する方法であって、
前記ファンによって風洞内に供給される気流を、前記変動風発生装置によって変動させることで、該変動風発生装置による圧力損失又は気流に加えられるモーメンタムを継続的に変化させ、
前記風洞内の気流の初期流量と、前記圧力損失又はモーメンタムとを入力値として、数値流体力学（ＣＦＤ）解析によって、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧を出力し、
前記ファンの吸込口と噴出口の差圧ΔＰと前記ファンによって供給される気流のファン流量Ｑの関係を予め設定したＰ−Ｑ曲線ファンモデルを用いて、前記差圧の出力値から気流のファン流量を算出し、
前記算出ファン流量を前記初期流量と置き換えるとともに、前記変動風発生装置による圧力損失又は気流に加えられるモーメンタムを継続的に変化させ、前記ＣＦＤ解析及びファンモデルを用いてファン流量を算出することを繰り返して、風洞内の変動風量の時間的変化を予測することを特徴とする風洞内における変動風量を予測する方法。
気流が流れる流路と、該流路に気流を供給するファンと、前記流路と連結され試験体が置かれる計測部と、前記流路内に配設され前記気流を変動させて変動値を与える変動風発生装置とを備えた風洞をモデル化し、シミュレートによって風洞内における変動風量を予測する装置であって、
前記ファンの吸込口と噴出口の差圧ΔＰと、前記ファンによって供給される気流のファン流量Ｑとの関係を予め設定したＰ−Ｑ曲線ファンモデルと、
前記変動風発生装置を静止させた初期状態における風洞内の初期流量を解析する初期条件解析手段と、
前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の前記変動風発生装置によって与えられる変動値を求める変動値算出手段と、
前記初期流量と、前記変動値とを入力値として、数値流体力学（ＣＦＤ）解析によって、前記ファンの吸込口と噴出口の差圧を出力するＣＦＤ解析手段と、
前記ファンモデルを用いて、前記差圧の出力値からファン流量を算出するファン流量算出手段と、
前記ファン流量の算出値を前記初期流量と置き換え、前記変動値算出手段、ＣＦＤ解析手段及びファン流量算出手段を用いて、さらに一定時間Δｔ経過後のファン流量を算出する繰り返し手段とを設け、
前記繰り返し手段により、所望時間経過まで繰り返してファン流量を算出することで、風洞内の変動風量の時間的変化を予測することを特徴とする風洞内における変動風量を予測する装置。
前記変動風発生装置が、スライディングメッシュ法を用いて可動物体としてモデル化したダンパーであり、
前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後のダンパー角度を計算するダンパー角度算出手段であって、
前記初期流量と前記ダンパー角度とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする請求項２記載の変動風量を予測する装置。
前記変動風発生装置が、ダンパーの開口率と、ダンパーでの圧力損失との関係を予め設定したダンパーモデルであり、
前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後のダンパー角度を計算し、前記ダンパーモデルを用いて、前記ダンパー角度の計算値からダンパーでの圧力損失を算出する圧力損失算出手段であって、
前記初期流量と前記圧力損失とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする請求項２記載の変動風量を予測する装置。
前記変動風発生装置が、スライディングメッシュ法を用いて可動物体としてモデル化した翼列であり、
前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の翼列の迎角を計算する迎角算出手段であって、
前記初期流量と前記迎角とを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする請求項２記載の変動風量を予測する装置。
前記変動風発生装置が、翼列の迎角と、モーメンタムとの関係を予め設定したモーメンタムモデルであり、
前記変動値算出手段が、前記初期状態から一定時間Δｔ経過後の翼列の迎角を計算し、前記モーメンタムモデルを用いて、前記翼列の迎角の計算値からモーメンタムを算出するモーメンタム算出手段であって、
前記初期流量と前記モーメンタムとを入力値として、前記ＣＦＤ解析手段によって、前記ファンの吸込口と噴出口との差圧を出力することを特徴とする請求項２記載の変動風量を予測する装置。
前記流路内に、風洞内全体の圧力損失を調整するための抵抗板を挿入することを特徴とする請求項２〜６何れかに記載の風洞内における変動風量を予測する装置。