JP5379148B2 - 乱流エアジェット内の渦構造を制御する装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、乱流エアジェット内の渦構造を制御し、乱流によって発生するノイズを低減する、装置と方法に関する。

乱流中のノイズは、様々な技術分野における共通の問題である。特に航空機技術では、航空機のノイズに関係する様々な要因、すなわち、推進システム（例えば、ファン、ジェット等）、機体の空力要素に沿った空気流れなど、が存在するので、深刻である。ドラスチックにノイズを低減するためには、異なるノイズ源（ファンのノイズ、機体のノイズ等）を取り扱う広範囲な取り組みが必要である。本発明による装置は、乱流の空気流れの中の渦構造を制御することによって、ジェットノイズを低減することを意図している。

航空機技術の目覚しい発展と、旅客機の新世代の登場は、人間に影響を与える強いノイズ源の著しい増加をもたらした。エンジン排気ジェットは、１９５０年代に最初のジェット定期旅客機が設立されて以来、第１のノイズ源である。バイパス式ターボジェットエンジンの利用は、航空機の音響性能を向上させるのに役立ったが、現在のそして将来の航空機の、増大する強い必要性を叫ぶ国際組織は、ノイズ低減のより厳しい努力を要求する。
空力音響学の今度の第７回ヨーロッパプログラムの戦略的ゴールは、２０１０年までに航空機音響の向上に対する基本的対策と予備計画を案出することであり、２０２０年までに航空機産業においてこれらを実行するための技術的回答と根拠ある推奨案を案出することである。様々なノイズ源に取り組むバランスのとれた取り組みが、更なるノイズ（ファンのノイズ、機体のノイズ等）の低減を行うために必要であるが、それにも拘らず、ジェットノイズは、この複雑な仕事を行う上での障害となっている。更に、ジェットノイズは、支配的なノイズ源として残存し、超音速航空機の更なる発展の主要な障害として残存する。従って、現在、航空機のエンジンノイズの低減問題への従来の取り組みの発展に加えて、乱流ジェットノイズのアクティブ制御を確実に行う意図に基づいた、上述のアイデアを含む新しいアイデアを前進させる必要がある。

乱流ジェットノイズのアクティブ制御は、未だ開発の初期にあり、アクティブ制御の可能性を発展させるためには、励起システム（アクチュエーター）と、制御アルゴリズムと、測定装置と、の改良が必要である。例えば、グロー放電エキサイター、液体注入、ヘルムホルツ共鳴器、ＭＥＭ、等のアクチュエーター全てが、効果的な流れ制御手段として、有望である。技術的に可能でコスト効果のある解答を見つけることが必須である。

乱流流れのアクティブ制御用のアクチュエーターを創作するのに役立つ設計的解答をいくつか、以下に引用する。

−グロー放電又はバリヤ放電のプラズマを利用する電気的アクチュエーター、これは、境界層に、流れの速度場を発生させるのに、利用されている。これらのアクチュエーターでは、電場の勾配が、イオン加速を生じさせ、イオン加速が、粒子の衝突に基づいて、主要媒体を浮遊させる。（非特許文献１参照）

−流れの操作用の圧電アクチュエーター、これは、アクチュエーターを振動させる周期的な張力を基にしている。ダイヤフラムの振動が、開口（スロット又は孔）を通して空気を出入りさせ、開口は、空洞と外気とを接続している（この流れは「合成ジェット（ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ ｊｅｔ）」と呼ばれてきた）。（非特許文献２参照）

−渦発生ジェット又はパルス状渦発生器、これは、開口を通して角度をなして注入された、振動する流体インパルスによって形成される。これらの渦は、分離した流れを摘み取り、空力装置の運転を改善する。（非特許文献３参照）

−コロナ放電アクチュエーター、これは、正極性及び負極性コロナ部近くで、放電粒子加速によって発生されたイオン風を、利用する。（非特許文献４と５参照）

Ｒｏｔｈ，Ｊ．Ｒ．；Ｓｈｅｒｍａｎ，Ｄ．Ｍ．；Ｗｉｌｋｉｎｓｏｎ，Ｓ．Ｐ．著、１９９８、大気均一グロー放電表面プラズマを用いた境界層流れ制御、ＡＩＡＡ−９８−０３２８ Ｗｉｌｔｓｅ，Ｊ．Ｍ．；Ｇｌｅｚｅｒ， Ａ．著、１９９３年、圧電アクチュエーターを利用した自由剪断流れの操作、Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．誌、ｖｏｌ．２４９、ｐｐ２６１−２８５ Ｍａｇｉｌｌ，Ｊ．Ｃ．；ＭｃＭａｎｕｓ，Ｋ．Ｒ．著、パルス渦発生器ジェットを利用したダイナミックストールの制御、ＡＩＡＡ−９８−０６７５ Ｄａｎｎａ Ａ．Ｌａｃｏｓｔｅ，Ｄａｖｉｄ Ｐａｉ，Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ Ｏ．Ｌａｕｘ 著、「大気圧における陽極直流コロナ放電のイオン風効果」ＡＩＡＡ ２００４−３５４、２００５ Ｔ．Ｒ．Ｔｒｏｕｔｔ，Ｄ．Ｋ．ＭｃＬａｕｇｈｌｉｎ 著、「中間レイノルズ数の超音速ジェットの流れ特性及び音響特性に対する実験」Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈ．誌、１１６、１２３−１５６

しかしながら、もしこの研究が流れの制御だけでなくノイズ制御も取り扱わなければならないとすると、問題は非常に複雑になる。

大きな渦は、乱流ジェットノイズ放散全体において、主要な役割を行う。従って、本発明の主目的は、簡単な技術でこれらの渦を制御し、渦の制御を行う簡単で安価なツールを開発することである。

乱流空気流れで発生する渦リングは、揺動システムとして形成された渦中心を有し、この揺動システムは、多数の、異なる周波数の固有振動数を有し、近接場の形状と構造を有する。

本発明の要点は、ジェット流れには接触せずに、従って、ジェットの推進特性には影響を与えずに、渦中心の共鳴を励起してジェット内の渦リングに影響を与えることである。

本発明の効果は、空気排出路から流出する乱流エアジェット内の渦構造を抑制することができる装置を利用して、本発明の装置は、交流電圧源に接続された少なくとも１対の針を備え、針の間にパルス状のコロナ放電を発生させる。針の一方は、流れの方向に配置され、針の他方は、流れを横切る方向に配置され、渦構造に対してコロナ放電の共鳴効果を与える。パルス状のコロナ放電は、帯電したイオンが電場によって周期的に加速され、ガスの粒子をジェット内に発生させるので、パルス状のマイクロジェットを形成する。

対になった針は、流れの近傍に配置される。

更に、本発明による、乱流エアジェット内の渦構造に対して影響を与える方法は、交流電圧源に少なくとも１対の針を接続し、針の間にパルス状のコロナ放電を発生させる。針の一方は、流れに沿って配置され、針の他方は、流れを横切る方向に配置され、その結果、渦構造に対してパルス状のコロナ放電の共鳴効果を発生させる。

対になった針は、流れに近接して配置される。

本発明の装置は、２対、又は４対、又は６対の針を備えることが、好ましい。針は、鋼製又は銅製である。本発明の装置は、航空機エンジンの推進システムに適用することができる。

本発明の装置を、添付図面を参照して、以下に説明する。

対になった針とその配置を説明する図である。 乱流中を移動する渦を示す図であり、本発明を利用していない図である。 乱流中を移動する渦を示す図であり、本発明を利用している図である。 対になった針を有する装置が流れの中の渦に共鳴効果を与えるように配置されている図である。

図１に示すように、乱流環境の中で形成された渦構造（渦（５））に影響を与える、対になった針（１）は、ノズル（４）から流出する乱流エアジェット（３）に近接して配置されている。一実施形態では、針と流れとの間の距離は、０．５ミリメートルから５ミリメートルの間であり、１ミリメートルから２ミリメートルの間であることが、好ましい。針（１）は、長方形の正極高電圧パルスを発生させる交流高電圧源（図示せず）に接続され、高電圧パルスは、半周期の位相で変化する。

針に沿って流れるマイクロジェット（２）を形成するパルス状のコロナ放電は、針（１）部で発生する。一方の針（１）は、陽極であり、他方の針は、陰極である。マイクロジェットは、パルス状の流れであり、高電圧パルス効果のもとで最初の半周期の間に再生され、２回目の半周期で、針の間に電圧の差がない場合に、完全に消滅する。マイクロジェットは、各周期の最初に針から約２ミリメートルの位置で形成される渦のブランチからなり、５から６メートル毎秒の速度で動く。針が、高電圧パルス発生器に、半周期の位相差の２方向回路によって接続された場合、針は、各経路で独立にパルス状のマイクロジェットを発生する。要するに、マイクロジェットの流れのパラメータは、励起された乱流ジェットに影響を与えるのに必要な特性を与える。マイクロジェット（２）は、正極性コロナ放電を伴う針（１）の近くで最高速度を有する。効果的な渦抑制手段として利用されるのは、この針（１）である。高周波パルスの周波数は、渦（５）への共鳴効果を確実にするために、選定される。マイクロジェットが、速度振幅が約２メートルで、周波数が１０００ヘルツで、渦までの距離が約１センチメートルで、針（１）が正しく配置されていれば、渦（５）に対する顕著な共鳴効果を有することに、注意願いたい。運転システムの具体的なパラメータは、乱流ジェットと渦リングの具体的なパラメータに依存し、乱流ジェットの渦リングを破壊するように選定される。

本発明の装置の設計は、図１に示すような１対の針（１）を利用するようにも、図４（３対の針）に示すような３対かそれ以上の針（１）を利用するようにも、することができる。このような構成が、励起された乱流ジェットに必要な共鳴効果を与えることが、判った。更に、渦リング又は渦（５）の強力な破壊は、パルス状のコロナ放電マイクロジェットの、１２メートル毎秒から３０メートル毎秒という、広い流速範囲で生じる。

変化しないマイクロジェットは渦リングを破壊せず、パルス状のマイクロジェットによってのみ破壊されることを、強調しておく必要がある。

図２と３は、乱流環境で移動する渦（５）を示し、図２は、パルス状のコロナ放電のない乱流環境で移動する渦（５）を示し、図３は、ノズル（４）から流出するジェットの初期部分におけるパルス状のマイクロジェットによって、渦（５）が抑制されている場合を示す。

陽極と陰極の針の間の最適な距離は、２３ｋＷを超えない放電電圧で、約２０ミリメートルである。第１の対の針と第２の対の針の間の（流れの方向における）最適の距離は、約２５ミリメートルであることが判明した。システムの設定が最適でない場合はすべて、渦リングは、陽極の針の影響領域を通過後、そのまま残った。一方、システムパラメータが最適に設定されると、渦リングは破壊され、ノズル上の第１の対の陰極の針を通った渦は、第２の対の陽極の針に到達し、消滅した。

本発明の装置と方法とを、好ましい実施形態で紹介したが、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明には、広範な変更及び修正が包含されることを、理解するであろう。

Claims (16)

1. 空気排出路から流出する乱流エアジェット内の渦構造を制御する装置であって、 交流電圧源に接続された少なくとも１対の針によって構成され、前記針の間にパルス状のコロナ放電を発生させ、前記針の一方が、流れに沿って配置され、前記針の他方が、前記流れを横切る方向に配置され、前記渦構造に対して前記パルス状のコロナ放電の共鳴効果を発生させる、装置。
2. 前記少なくとも１対の針が、前記流れに近接して配置された、請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１対の針が、前記流れから、１ミリメートルと２ミリメートルの間の距離だけ離れて配置された、請求項２に記載の装置。
4. ２対の針を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. ４対の針を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
6. ６対の針を備える、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
7. 鋼製又は銅製の針を備える、請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 航空機の推進システムに取り付けられた、請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. 乱流エアジェット内の渦構造を制御する方法であって、
   交流電圧源に接続された少なくとも１対の針が、前記針の間にパルス状のコロナ放電を発生させ、前記針の一方が、流れに沿って配置され、前記針の他方が、前記流れを横切る方向に配置され、前記渦構造に対して前記パルス状のコロナ放電の共鳴効果を発生させる、方法。
10. 前記少なくとも１対の針が、前記流れに近接して配置された、請求項９に記載の方法。
11. 前記少なくとも１対の針が、前記流れから、１ミリメートルと２ミリメートルの間の距離だけ離れて配置された、請求項１０に記載の方法。
12. ２対の針を利用する、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. ４対の針を利用する、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
14. ６対の針を利用する、請求項９から１１のいずれか１項に記載の方法。
15. 鋼製又は銅製の針を利用する、請求項９から１４のいずれか１項に記載の方法。
16. 航空機の推進システムの空気排出路内に配置された針を利用する、請求項９から１５のいずれか１項に記載の方法。

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