JP6404042B2 - 揚力制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、絶縁体を挟んで表裏両面に設けた電極間に高電圧高周波電流を印加することにより、絶縁体表面に沿ってプラズマを発生させる表面プラズマ発生装置を用いた揚力発生装置に関する。

表面プラズマ発生装置に利用されている誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ(以下、「ＤＢＤ−ＰＡ」という。)は、絶縁体を挟んで表裏両面に電極を設置したシンプルな構造でありながら、高周波高電圧を印加するだけで、壁面に沿ったジェットを誘起することができることが知られている。

特許文献１、２には、翼等の剥離点近傍に誘電体バリア放電プラズマアクチュエータを設置し、誘起したジェットを剥離が発生する箇所に噴出させることにより、剥離流れを抑制することが記載されている。
また、非特許文献１には、翼の後縁先端にＤＢＤ−ＰＡを取り付け、主流に対し垂直方向に誘起したジェットを吹き出すことにより揚力を増加させることが記載されている。

特許第５００４０７９号公報 特許第５５６９８４５号公報

Wang, J. J., Choi, K-S., Feng, L. H., Jukes, T. N., Whalley, R. D., "Recent Developments in DBD Plasma Flow Control,"Progress in Aerospace Sciences, Vol. 62 (2013), pp. 52-78.

特許文献１、２は、従来のＤＢＤ−ＰＡは、誘起したジェットを剥離が発生する箇所の近傍に噴出させることにより剥離流れを抑制することを主眼としており、翼においては、剥離が発生しやすい曲率が大きい前縁付近に設置し、空気流に沿ってジェットを発生させている。
しかも、こうした領域は主流に与える影響が大きいため、シート型のＤＢＤ−ＰＡを使用せざるを得ず、曲げに伴う劣化も発生しやすい。

これに対し、非特許文献１では、翼後縁から噴出するジェットにより直接揚力を発生させるものであり、きわめて強力なジェットを形成しなければ大きな効果は期待できない。
しかも、通常翼後縁は鋭利な形状をしているため、後縁を切り落とすなどの対策を採らないと、空気流に対し垂直方向にジェットを誘起するＤＢＤ−ＰＡを取り付けることができず、翼本来の流体力学特性を悪化させるおそれもある。

そこで、本発明では、翼の構造自体になんら変更を与えることなく、翼の後縁付近にＤＢＤ−ＰＡを装着し、空気流に対し、逆方向のベクトル成分を有するジェットを噴出させることにより、この空気流に影響を及ぼすことで揚力を制御することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の揚力制御装置は、翼における正圧面及び負圧面の少なくとも一方の後縁に、ＤＢＤ−ＰＡをフラッシュマウントし、その前方を流れる空気流に対し、逆行するベクトル成分を有する誘起ジェットを噴出させ、空気流と衝突させることでその流速を減速させ、圧力分布を変化させるようにした。

本発明によれば、フラッシュマウントしたＤＢＤ−ＰＡにより、翼の流体力学的な性能を悪化させることなく、その面の圧力分布を変化させ揚力を効率よく制御することができる。

図１は、リアウイングに取り付けたガーニーフラップによるダウンフォース増強効果を示す図である。 図２は、ガーニーフラップに代替する実施例を示す図である。 図３は、実施例の効果を検証するための実験設備を示す図である。 図４は、実験結果を示す図である。 図５は、実施例による空間速度分布を示す図である。

以下、実施例を図面を用いて説明する。

本発明の基本原理を明確にするため、本実施例では、レーシングカー等のリアウイングに取り付け、高速走行時のダウンフォースを増強するいわゆるガーニーフラップの機能を代替させるものとして、ＤＢＤ−ＰＡを装着した。

まず、ガーニーフラップの基本原理を説明する。
図１は、リアウイング１にガーニーフラップ２を取り付けた場合のダウンフォース増強効果を示すものである。

図１(ａ)に示すように、リアウイング１は、下面が空気流が高速な負圧面、上面が空気流が低速な正圧面となり、レーシングカーが高速走行した際、ダウンフォースを発生させ、車体の安定と、タイヤ接地圧の増強を図るものである。
ガーニーフラップ２は、図１(ｂ)に示すように、リアウイング１上面(正圧面)の後縁に、直立するよう取り付けられ、リアウイング１上面(正圧面)を流れる空気流がこれに衝突してリアウイングの表面に向けて巻き込まれ、リアウイング１上面(正圧面)を流れる空気流の主流に逆行するよう方向転回させる。
これにより、リアウイング１上面(正圧面)を流れる空気流の主流と衝突し、その速度を低減させ、形成された速度低下領域により、リアウイング上面に作用する圧力を増大させ、ダウンフォースを高めることができる。

本実施例では、図２に示すように、図１に示すガーニーフラップを代替するものとして、ＤＢＤ−ＰＡをリアウイングの正圧面(上面)の後縁側に装着した。リアウイングは、ガラス繊維強化プラスティック等の絶縁材料で成型されたものである。
ＤＢＤ−ＰＡの裏面電極３は、リアウイング１の後縁付近に形成した凹部に埋め込み、絶縁シート４を介して、裏面電極３より後縁側に偏位して表面電極５を貼付し、リアウイングの表面が平滑面を維持するよう、フラッシュマウントを行う。
この裏面電極と表面電極に所定の周波数、電圧の交流を印加することにより、表面電極の前縁から、リアウイングの表面に沿う空気流と正対向する逆行する誘起ジェットを発生させる。
なお、リアウイング１が絶縁材料で成形されたものではない場合には、リアウイング１の後縁付近に形成した凹部に絶縁材シートを貼付するなど、裏面電極３に対する絶縁処理を行う必要がある。

これにより、リアウイングの表面に沿う空気流が誘起ジェットと衝突し、その領域で、空気流が部分的に剥離し、電極付近に渦が発生することにより、正圧面における空気流速度が弱められ、リアウイングの表面の正圧分布が変化する。これにより、ガーニーフラップと同様にダウンフォースを高めることができる。

本実施例の効果を検証するため、３Ｄプリンタで造形した翼弦長Ｃ＝５０ｍｍ、翼幅Ｓ＝１２０ｍｍのＮＡＣＡ００１５型翼型模型の後縁部に、ＤＢＤ−ＰＡを設置し、翼周りの流れ制御を行った。

実験設備は、図３に示すとおりであり、ＮＡＣＡ００１５翼型模型を前縁から２５％(ｘ／ｃ＝０.２５)に位置する軸を介してひずみゲージ式３軸分力計に固定し、アクリル製の風洞試験部に設置する。
３軸分力計の信号は動ひずみ測定器により１Ｎが１Ｖに変換され出力され、出力された信号はオシロスコープを用い、１ｋＨｚのサンプリングレートで１０秒間記録した。
なお、風洞は出口寸法２００ｍｍ×２００ｍｍの吹出型風洞を使用し、主流速度(１０ｍ／ｓ)及び翼弦長を代表速度・長さとするレイノルズ数をＲｅ＝３.３×１０⁴に設定する。

ＤＢＤ−ＰＡの表裏電極は、１００μｍ厚のポリイミド絶縁層の両面に３５μｍ厚の銅箔が圧延接着された積層板を両面位置合わせ、エッチングすることで形成されている。
図２(ｂ)に示すように、主流に対して逆方向に、ｘ／ｃ＝０.９の位置からジェットが誘起されるように配置する。その際、高周波高圧電源(ＰＳＩ、ＰＧ１０４０Ｆ)を使用し、ＤＢＤ−ＰＡの表裏電極間にＶ_P-P＝５.０ｋＶの交流電圧を周波数ＦＰ＝８.７ｋＨｚで印加した場合、最大流速(Ｕ_MAX)がＵ_MAX≒０.９ｍｍ／ｓのジェットが誘起された。

この状態で、流れ場においてジェットを誘起した場合の揚力及び抗力の変化を解析する。
同様に、図１(ｃ)に示す高さｈ＝１.５ｍｍ(ｈ／ｃ＝０.０３)のガーニーフラップがモデリングされたＮＡＣＡ００１５翼型模型の空力特性との比較実験を行った。その際、双方のＮＡＣＡ００１５翼型模型を１°から５°の刻み幅で迎角αを変化させ、揚力係数と抗力係数の計測を行った。

図３(ｂ)に示すＤＢＤ−ＰＡが設置されたＮＡＣＡ００１５における稼働時(ＰＬＡＳＭＡ ＯＮ)・非稼働時(ＰＬＡＳＭＡ ＯＦＦ)と、図３(ｃ)に示すガーニーフラップ付ＮＡＣＡ００１５翼の揚抗力の計測により得られた揚力係数及び抗力係数を図４に示す。

図４(ａ)に示す揚力の比較から、ＤＢＤ−ＰＡによる制御ありの場合には、迎角αが、−１０°≦α≦１１°において、制御なしと比較して揚力が増加していることが確認できる。
しかし、α≧９°では迎角αの増加に伴って制御ありのときの揚力増加率は減少しており、α≧１２°では、制御なしの揚力係数とほぼ同じになる。
制御ありの条件で揚力向上効果が失われる迎角はＲｅ＝３.３×１０⁴における翼の失速角とほぼ一致していることがＰＩＶによる空間速度分布計測から確認されている。このため、剥離流れが生じている場合には、ＤＢＤ−ＰＡを稼働させても揚力向上効果が得られない可能性を示している。

また、図４(ｂ)の結果から分かるように、ＤＢＤ−ＰＡ稼働時の抗力係数は非稼働時と比較して−１０°≦α≦１０°で増加傾向にあるが、揚力向上効果と比較した場合にはその差は僅かであることがわかる。
さらに、ＤＢＤ−ＰＡ稼働時と図３(ｃ)のｈ／ｃ＝０.０３の高さを有するガーニーフラップの揚力係数を比較すると、−１０°≦α≦５°では同程度の揚力向上効果を示すが、α＞５°ではガーニーフラップの方が高い揚力向上効果を示している。
一方、ガーニーフラップ付ＮＡＣＡ００２４の抗力係数についてはα＞５°でＤＢＤ−ＰＡ非稼働時(ガーニーフラップなしＮＡＣＡ００２４)と比較して明らかに増加している。
したがって装着する機器の流体力学的特性に応じて、ＤＢＤ−ＰＡの稼働、非稼働、そして、印加する高周波高圧電源の電圧、周波数を、発生する空気流の速度や方向に応じて最適に制御する制御装置を設けることが好ましい。

ガーニーフラップ付ＮＡＣＡ００２４は、翼後縁から正圧面側に垂直に曲げられたＬ字構造であり、ダウンフォースが必要ない場合には形状抵抗が増加するという問題がある。
これに対し、ＤＢＤ−ＰＡ付ＮＡＣＡ００１５は、フラッシュマウント化しているため、車速等に応じてＤＢＤ−ＰＡを作動を制御することで、揚力が向上しない条件では、非稼働とすることで、高迎角時の抗力増加を避けることができる。このため、風車などの実際のターボ機械への適用を想定した場合は、ＤＢＤ−ＰＡによる主流と逆方向へのジェット吹き出しがガーニーフラップより優れていることが分かる。

図５に、ＰＩＶにより解析された各条件におけるα＝８°におけるＮＡＣＡ００１５周りの空間速度分布を示す。
本条件下では、ＤＢＤ−ＰＡ稼働時及びガーニーフラップ付ＮＡＣＡ００１５の双方で揚力向上効果を確認することができる。

一方、図５(ａ)のＤＢＤ−ＰＡと、図５(ｂ)のＤＢＤ−ＰＡ稼働時の空間速度分布の比較からは、ＤＢＤ−ＰＡ稼働時に電極近傍で僅かに低速領域が増加していることが確認できる。
また、正圧面側に形成される渦構造の結果、仮想的な翼形状の変形から形状抵抗が増加し、その結果として抗力係数が増加したと推察される。なお、高迎角で抗力係数がＤＢＤ−ＰＡ非稼働時と同程度であるのは、迎角を増やすことで正圧面の圧力が増加し、ＤＢＤ−ＰＡから誘起されるジェットによる剥離が抑制されたものと推測することができる。

実施例では、本発明の原理を説明するため、ガーニーフラップの機能を代替させるため、リアウイングの正圧面における圧力分布を変化させ、ダウンフォースを制御する例を示した。しかし、ＤＢＤ−ＰＡ自体は、可能な限りフラッシュマウント化することで空力特性に与える影響が少なく、揚力制御が必要な場合のみ作動させることができる。
このため、一般的な自動車やトラック、航空機、風力発電等、運転状態に応じて最適な揚力を必要とする機器に広く採用することができる。

また、実施例では、ガーニーフラップの正圧面における圧力分布が変化させ、ダウンフォースを高めること、すなわち、リアウイングを翼とみたとき、その正圧面の圧力分布が変化させ、揚力を増大させる例を示した。しかし、これに限らず、翼の負圧面においても、後縁側にも、正圧面と同様にＤＢＤ−ＰＡを装着することで、負圧面の圧力分布を変化させ、負圧面に作用する圧力を増大させることで結果として揚力を低減することもできる。

このため、例えば、高速走行する列車のパンタグラフの負圧面にＤＢＤ−ＰＡを装着することで、高速走行時、パンタグラフに作用する揚力を低減し、架線に対する接触圧の異常上昇を防止することもできる。
そのほか、運転状態に応じて、揚力を増大させたり、減少させることが好ましい場合には、正圧面と負圧面の双方にＤＢＤ−ＰＡを装着することで、運転状態に応じて揚力を最適値に制御することが可能となる。

さらに、実施例では、リアウイングの表面に沿う空気流と正対向する誘起ジェットを発生させているが、圧力分布に対する影響は、表面形状や流速などにより異なるため、誘起ジェットを空気流と正対向させるだけなく、斜めに噴出させた方がより効果が得られる場合がある。このため、ＤＢＤ−ＰＡによる誘起ジェットは、少なくとも表面に沿う空気流に対し逆行するベクトル成分を備えていればよい。

そのほか、ＤＢＤ−ＰＡによる誘起ジェットの流速、レイノルズ数、さらに、電極設置位置を変化させることで、翼表面近傍の流れや揚力・抗力に与える影響が変化するため、搭載する機器に発生する空気流、その運転状態に応じて、複数箇所にＤＢＤ−ＰＡを設置し、作動させるＤＢＤ−ＰＡを選択し、誘起ジェットの流速、レイノルズ数を制御するなど様々な態様を採用することができる。

また、ＤＢＤ−ＰＡとして、１００μｍ厚のポリイミド絶縁層に表裏電極を形成したものを採用しているが、表面を絶縁材料で被覆された細線からなるＤＢＤ−ＰＡを、翼表面に形成した凹部に挿入し、フラッシュマウントしてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、フラッシュマウントしたＤＢＤ−ＰＡにより、翼の流体力学的な性能を悪化させることなく、揚力を効率よく制御することができるので、様々な機器への適用が期待できる。

１ リアウイング
２ ガーニーフラップ
３ 裏面電極
４ 絶縁層
５ 表面電極

Claims (3)

1. 翼の後縁側の正圧面および負圧面の少なくとも一方の面に設けられ、対向する２つの電極を有し該翼にフラッシュマウントされた誘電体バリア放電プラズマアクチュエータと、
   前記２つの電極の前方から流入する空気流に対して、逆行する向きの誘起ジェットを噴出させて該空気流と衝突させて該空気流を部分的に前記面から剥離するように該２つの電極間に印加する交流電圧を制御する制御装置と、を備え、
   前記２つの電極は、前記正圧面に設けた場合は該正圧面から該正圧面とは反対側の前記負圧面の方向の揚力を増加させ、前記負圧面に設けた場合は前記正圧面から該負圧面の方向の揚力を減少させる位置に配置される、揚力制御装置。
2. 前記２つの電極のうちの一方の電極は、前記面の凹部に配置され、他方の電極は該一方の電極よりも後縁側に離隔するとともに該一方の電極上に設けられた絶縁材上に配置されてなる、請求項１に記載の揚力制御装置。
3. 前記制御装置は、高周波高圧電源によって前記２つの電極間に印加する前記交流電圧のオンオフ及び電圧を制御する、請求項１または２に記載の揚力制御装置。

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