JPH0450630A - 風洞試験用トラバース装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、最近特に高速化してきた自動車、航空機、船
舶等の輸送機関の流体力学的性能を計測するための風洞
試験用トラバース装置に関するものである。

［従来の技術］ 風洞実験では被試験体まわりの気流状態を計測するため
に、実公昭５６−３４２７０号公報に開示されているよ
うなトラバース装置が用いられている。

〔発明が解決しようとする課題］ 風洞実験において、被試験体にかけられる気流の速度は
近年の輸送機関の大型化・高速化に伴って上昇しており
、これらの空気力学性能を追求するためには、この高速
気流に対抗できる測定装置を開発しなければならない。

−ａに気流の測定には、風速や風向等、実験者が必要と
する物理量を測定することが可能なセンサを取り付けた
計測支柱を気流中に挿入して行われる。

この計測支柱は気流中に挿入されたとき、測定場におけ
る気流の性質を変えないように従来各実験者ごとに工夫
されてはいるが、高速気流中では流体の粘性よりも慣性
の影響の方が強くなるために、計測支柱の前縁から計測
支柱表面に沿ったある後方点で境界層が剥がされ、その
結果計測支柱表面に作用する圧力分布が変化することに
よって大きな流体力を受ける。

このとき計測支柱を通過した後の気流（後流）は渦流を
含み、この渦は計測支柱表面から周期的に後流へ放出さ
れる（カルマン渦列と呼ばれる）。

このため、流れを横断する方向に周期的な外力が作用し
て計測支柱が振動し、計測条件を悪くすることになる。

従って、本発明は計測支柱に作用する流体力を制御する
いくつかの手法を導入することによって高速の気流に対
して影響を受けない気流計測センサ取付のための計測支
柱を実現させ、風洞実験における測定精度を向上させる
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記目的を達成するために、鉛直力向に移動
可能な流線型形状の断面をもつ計測支柱の先端部に熱線
流速計等の気流計測用センサが取付けられ、流れ方向に
平行に設置された流れを左右に横断する方向に移動可能
な門型構造物の中空部に走行する台車に設置されてなる
風洞試験用トラバース装置を構成するものである。

ここで、気流中の物体に生じる流体力を制御しうる流体
力制御機構を有し、気流中に挿入された計測支柱に流体
力学的な要因によって生じる振動現象等を除去すること
によって、風洞実験による気流計測用センサの測定条件
の向上を考慮した風洞試験用トラバース装置を構成する
ことができる。

流体力制御機構としては、計測支柱の後端に仕切板を設
け、後流に発生する渦の配列を制御するものを採用でき
る。

また、流体力制御機構として、計測支柱の表面に粗面を
形成し、気流の剥離点を後方に移すことを特徴とするも
のを採用でき、この粗面ば計測支柱の表面に複数の小さ
なくぼみを設けることによって達成できる。

更に、流体力制御機構として、人工的境界層制御機構を
利用することができ、この人工的境界層制御機構は、計
測支柱の前部表面に空気を吸引する微小孔を設け、計測
支柱後部に吸出孔を設けて、前記微小孔より吸引した空
気を前記吹出孔より後流に還元し、計測支柱表面に形成
される境界層を除去するものが採用できる。

〔作　用〕

本発明に係る風洞試験用トラバース装置は、上述のよう
にしてなり、計測支柱の先端部に取付けられた熱線流速
計等の気流計測用センサにより風洞内の気流の速度や方
向その他の試験データを得るものである。

この時、計測支柱が鉛直方向に移動可能にされており、
かつ流れ方向に平行に設置された、流れを左右に横断す
る方向に移動可能な門型構造物の中空部を移動する台車
に取付けられているため、風洞内の任意の場所に気流計
測用センサを位置させることが可能となるものである。

また、計測支柱は流線型形状の断面を有し１、気流を乱
さないように考慮されている。

計測支柱の後端に仕切板を設けた場合には、計測支柱の
表面近傍を通過した気流が後流で発生するカルマン渦列
の配列を制御して、周期的な外力の発生を低下させるも
のである。

また、計測支柱の表面に粗面を形成した場合には、計測
支柱の表面近傍の流体自身の粘性を増大させ、境界層の
剥離点を後方に移し、計測支柱に作用する抗力を減少さ
せる。

更に、人工的境界層制御機構を採用した場合には、例え
ば、計測支柱の前部表面に設けた微小孔より空気を吸引
し、計測支柱の後部に設けた吹き出孔よりこの空気を後
流に還元することにより、計測支柱の表面に形成される
境界層を除去し、気流の状態を支柱が存在しない状態に
近づけるものである。

〔実施例〕

本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。

第１図は、本発明に係る風洞試験用トラバース装置の実
施例の説明用側面図、第２図は一部破断背面図、第３図
はＹ軸部動部拡大側面図、第４図はＺ軸方向移動手段の
一部破断側面図、第５図（ａ）は第２トラバースユニツ
ト、第５図（ｂ）はセンサ回転駆動部説明用拡大断側面
図、第６図はセンサ取付部説明用一部破断拡大側面図、
第７図は同一部破断正面図である。

第１図中の１は、左から右に風の流れが与えられる風洞
装置の測定洞内部であり、自動車その他の被試験体２の
流体力学的性能試験が可能な大きさで形成されてなる建
設物である。

風洞測定温天井部にトラバース装置を据付けるために埋
込レール３が用意されている。

ここで、風洞測定温１内の流れ方向と平行な方向をＸ軸
方向、流れを左右に横断する方向をＹ軸方向、そして鉛
直方向をＺ軸方向とする。

またＸ軸まわりの回転をローリング（Ｒ軸）、Ｙ軸まわ
りの回転をピッチング（Ｐ軸）、Ｚ軸まわりの回転をヨ
ーイング（θ軸）とする。

４は、埋込レール３の下に、装置が風の流れを左右に横
断する方向に移動を可能とするＹ軸方向走行用レールで
ある。

５は、風の流れを左右に横断する方向に移動可能な門型
構造のメインフレームであり、流れ方向に対して平行に
据付けられている。

メインフレーム５はＹ軸方向走行用レール４に取付けら
れた精密かつ重荷重に耐えられる直進運動仕様のレール
でなるガイド６とベアリングでなるブロック７によって
支持されている。

ここで測定温天井部３ケ所の支持部のうち中央を固定側
とし、両側部はガイド６と直交してガイドおよびブロッ
ク（スライダー８）を設けることによりメインフレーム
５の熱膨張等を逃がしてやり、Ｙ軸方向駆動時の悪影響
を取り除くことができる。

９はＹ軸方向走行用レール４に画定されるラックであり
、ガイド６と同様に風の流れを横断する方向に取付けら
れる。

１０はラッは９とかみあう平歯車であり、これらの平歯
車１０はサーボモータ１２によって回転させられる回転
軸１１によって連動する。

このＹ軸方向の駆動は、第３図に示すようにサーボモー
タ１２に取付けたプーリ１３と回転軸１１に取付けたブ
ーＩＪ１４をベルト１５によって連結し、平歯車１０が
ラック９とかみあうことによって行われる。

第２図に示すように、メインフレーム５の下部は、風の
流れ方向に移動するＸ軸方向走行用台車１７を走行させ
るためにＸ軸方向にガイド６と同じ仕様のガイド１６が
設けられている。

Ｘ軸方向走行用台車１７の支持はガイド１６を走行する
ブロック１８によってなされ、Ｙ軸方向の場合と同様に
片側を固定側とし、もう一方の側をＹ軸方向に移動する
ことが可能なようにスライダー１９によって逃げが設け
である。

また、メインフレーム５の下部には風の流れ方向にラッ
ク２０が設けられており、Ｘ軸方向走行用台車１７側に
軸受された平歯車２１がかみあうようにされている。

平歯車２１は回転軸２２によって同期回転するものであ
り、サーボモータ２３とベルト２４で連結されて回転す
るものである。

２５はＸ軸方向走行用台車１７に取付けられる内部中空
状のＺ軸メインフレームであり、測定場の気流に影響を
与えないように前端部は半円筒形状にされており、後端
部は巾が縮小する形状である。

第４図に示すように、２９は先端部にセンサ部を有する
計測支柱であり、計測時には気流中に挿入されるもので
ある。

従って、計測支柱２９は気流中に挿入したときの気流へ
の影響を考慮して、流線型形状の断面をもち、気流に対
する前面投影面積を小さくするため先端へいく程断面積
が減少する形状に製作されている。

Ｚ軸メインフレーム２５の内部中空部には計測支柱２９
が上下方向に移動を可能とするためのガイド２６．２７
とポールネジ２８とが設けられている。

支柱２９の上端部にはＺ軸メインフレーム２５の内部中
空部のレール２６および２７を走行するブロック３１．
３２が設けられており、また、ボールネジ２８によって
上下方向に駆動するポートナツト３３が計測支柱２９側
に固定されている。

上流側のブロック３１は、その内部に精密な皿バネを装
着することによって、Ｚ軸の流れ方向の熱膨張等による
機械的逃げが吸収できうる仕様となっている。

ボールネジ２８は、Ｚ軸メインフレーム２５に取付けら
れるサーボモータ３４によって駆動される。

図中のベルト３５、プーリ３６を介してサーボモータ３
４の回転力が上流側のポールネジ２日に伝達され、更に
プーリ３７、ベルト３８、プーリ３９を介して下流側の
ボールネジ２８を同期回転させるものである。

このことにより、ボールネジ２８に伝達された回転力は
ポールナツト３３を介して上下方向の運動に変換され、
計測支柱２９を移動させる。

計測支柱２９内部は中空であり、第５図（ａ）に示すよ
うに計測支柱２９側に第２トラバースユニツト３０が内
装される。

この第２トラバースユニツト３０は、Ｚ軸まわりの回転
を行うθ軸ユニット４０とＹ軸まわりの回転を行うＰ軸
ユニット４１で構成されている。

θ軸ユニット４０は第５図（ｂ）のように回転軸４２と
、それを回転駆動するサーボモータ４３よりなり、回転
軸４２の回転軸下端部４４は計測支柱２９下方に突出し
ている。

回転軸下端部４４の側面には、突起部４５を有しており
、計測支柱２９下端部にはθ軸ユニット４０の回転角度
の範囲を決定するリミットスイッチ４６が取付けられる
。

これから、突起部４５がθ軸ユニット４０の駆動によっ
て同期回転し、任意角度範囲に取付けられたリミットス
イッチ４６と接触することによって、θ軸ユニット４０
の原点、最大および最小駆動範囲を設定するものである
。

更に、第６図および第７図に示すように、回転軸４２の
回転下端部４４には、継手４７、ブラケット４８及びハ
ウジング４９を介して軸５０が取付けられている。

軸５０下端には、ブラケット５２を介して回転ホルダ５
３が設けられており、回転ホルダ５３先端にはセンサ取
付治具５４が設けられている。

軸５０の内部中空部には、センサのＰ軸回転角度設定用
のサーボモータ５５が内装されており、このサーボモー
タ５５の駆動力がカサ歯５６および平歯車５７を介して
、回転ホルダ５３に固定された平歯車５８に伝達される
。

Ｐ軸回転角度の範囲は平歯車５８の側面に突起部５９を
設け、この突起部５９の移動経路上に取付けられたリミ
ットスイッチ６０とが接触することで決められる。

継手４７はベークライトその他の合成樹脂で構成される
もので、ブラケット４８より下方の部分が被試験体２に
接触して応力がかかった場合、容易に破損して被試験体
２を損傷する事を防止しており、この時、回転軸下端部
４４とブラケット４８を接続するワイヤ等でなる接続金
具５１によってセンサが床面まで落下２する事を防止し
ている。

このことによって、気流計測用センサを風洞測定温１の
任意の位置に移動することが可能であり、また、気流の
方向に対して任意の回転角度で風速その他の測定を行う
ことができる。

またセンサを取付けた計測支柱が流線型形状をしている
ため気流を乱すことなく、また支柱に働く圧力抵抗も小
さいため安定なセンサの保持をも可能とするものである
。

また、計測支柱２９には、気流中の物体に生じる流体力
を制御しうる流体力制御機構を有しており、気流中に挿
入された計測支柱２９に流体力学的な要因によって生じ
る振動現象等を除去することによって、風洞実験による
気流計測用センサの測定条件の向上を図っている。

この流体力制御機構としては、まずスプリッタプレート
と呼ばれるものが考えられる。

第８図（ｂ）に示すように計測支柱１０１をよぎる気流
１０２は後流でカルマン渦列１０８を生じる。

この渦は計測支柱１０１表面から左右交互に放出される
ため、計測支柱１０１に渦の放出に伴う周期的が外力が
発生し、これが計測支柱１０１の振動現象の原因となる
。

ここで、第８図（ａ）のように支柱１０１後部に薄い板
である仕切板１０３を挿入すると、計測支柱１０１の横
振れ現象を抑制することができる。

即ち、第８図（ｃ）に示すように、支柱１０１後部に設
けた仕切板１０３により、渦が放出されるときの配列を
渦流１０９のように抑制することによって周期的外力の
発生を低下させるものである。

ゆえに、支柱１０１後部に仕切板１０３を設けることに
よって計測支柱表面から周期的に放出される渦の影響を
抑止し、計測支柱に作用する振動を除去することができ
る。

次にラフネスバンドと呼ばれるものについて考察する。

つまり、支柱１０１の表面を第９図（ａ）のように粗面
１０４にすると、滑らかな表面の場合第９図（ｃ）に示
すように計測支柱１０１の表面に形成される境界層の剥
離点１１５が計測支柱１０１の略中間であったものが、
第９図（ｄ）に示すようにより後流に移すことができる
。

これは計測支柱１０１表面が粗い場合では剥離点１１５
が後縁側にあるため、渦流を含んだ乱流域１１１が滑ら
かな表面の場合１１０より狭くなり計測支柱１０１に作
用する抗力が現象する事を意味する。

従って、第９図（ａ）に示すように支柱の表面にサンド
ペーパーのような粗面を張り付けることにより、計測支
柱１０１表面近傍の流体自身の粘性を増大させ、境界層
の剥離をより後流側へ制御することで計測支柱１０１に
働（抗力の軽減を実現させるものである。

このラフネスバンドと同様の効果をねらったものとして
第９図（ｂ）に示すように、計測支柱１０１表面に小さ
なくぼみ（デインプル）１０５をいくつか設けることが
考えられる。

このデインプルの場合は、ラフネスバンドの粗面がやや
粗くなったものと考えられ、ラフネスバンドと同様に計
測支柱１０１表面近傍の流体自身の粘性を増大させ、境
界層の剥離をより後流側に位置させて計測支柱１０１に
働く抗力を軽減させるものである。

また、カルマン渦列の発生は計測支柱表面に形成される
境界層が剥離することによって生じる。

従って渦流の影響を取り除くには境界層その物を除去し
てしまえばよい。

これを人工的境界層制御と呼ぶこととする。

これは第１０図（ａ）に示すように計測支柱１０１の前
部表面に空気を吸引する微小孔１０６をつくり、この微
小孔１０６より空気制御装置１１２によって気流速度に
応じた空気を吸い込むことによって達成できる。

また、測定場の気流状態を変えないようにするため、吸
引した空気は計測支柱１０１後部の吹出孔１０７からそ
のまま気流１０２に還元すればよい。

従って、この操作によって気流中に計測支柱１０１を挿
入しながら、気流状態は計測支柱１０１が存在しない状
態に近づけることが可能となるものである。

〔発明の効果］ 本発明に係る風洞試験用トラバース装置は、上述のよう
にしてなり、風洞測定洞内の任意の位置にセンサを移動
することができるものである。

トラバース装置のメインフレームは流れ方向に平行して
位置しているので、流れ方向の任意の位置に複数個のビ
デオカメラを設置し、多断面の流れの可視化を容易に行
うことができる。

また、センサを取付けた計測支柱はその断面が流線型形
状に構成されているために、計測支柱表面からの気流の
剥離が少なくなり、その結果、計測支柱をよぎる気流の
乱れを抑止することができ、風による計測支柱の横振れ
を少なくすることができる。

更に、気流中に存在する物体に働く流体力の制御方法を
ほどこすことによって計測支柱の抗力を必要に応じて抑
えることも可能である。

ゆえに、計測支柱に作用する外力の影響を取りのぞき、
風洞実験中のセンサが安定に保持されるので、正確な気
流の測定を可能とするものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る風洞試験用トラバース装置の実施
例の説明用側面図、第２図は一部破断背面図、第３図は
Ｙ軸駆動部拡大側面図、第４図はＺ軸方向移動手段の一
部破断側面図、第５図（ａ）は第２トラバースユニツト
、第５図（、ｂ）はセンサ回転駆動部説明用拡大断側面
図、第６図はセンサ取付部説明用一部破断拡大側面図、
第７図は同一部破断圧面図、第８図（ａ）（ｂ）（ｃ　
）は計測支柱にスプリッタプレートを設けた場合の原理
説明図、第９図（ａＨｂ）（ｃ）（ｄ　）は計測支柱に
粗面を設けた場合の原理説明図、第１０図（ａ）（ｂ）
は計測支柱に人工的境界層制御機構を設けた場合の原理
説明図である。 １：風洞測定洞、　　２：被試験体、 ３：埋込レール、 ４：Ｙ軸方向走行用レール、 ５：メインフレーム、　　　６：ガイド、７：ブロック
、　　　　　　８ニスライダー９ニラツク、　　　　　
　１０：平歯車、１１：回転軸、　　　　　　　１２：
サーボモータ、１３：プーリ、　　　　　　　　１４：
プーリ、１５：ベルト、　　　　　　　　１６：ガイド
、１７：Ｘ軸方向走行用台車、１８ニブロツク、１９ニ
スライダー　　　　　２０ニラツク、２１：平歯車、　
　　　　　２２：回転軸、２３：サーボモータ、　　　
２４：ベルト、２５：Ｚ軸メインフレーム、 ２６：ガイド、　　　　　　　　２７：ガイド、２８二
ボールネジ、 ３０：第２トラバースユニ ３１ニガイド、 ３３：ボールナツト、 ３５：ベルト、 ３７：プーリ、 ３９：プーリ、 ４１：Ｐ軸ユニット、 ４３：サーボモータ、 ４５：突起部、 ４７：継手、 ４９：ハウジング、 ５１：接続金具、 ５３：回転ホルダ、 ５５：サーボモータ、 ５７：カサ歯車、 ５９：突起部、 １０１：計測支柱、 １０３：仕切板、 １０５：デインプル、 ２９：計測支柱、 ン　　ト　、 ３２ニガイド、 ３４：サーボモータ、 ３６：プーリ、 ３８：ベルト、 ４０：θ軸ユニット、 ４２：回転軸、 ４４：回転軸下端部、 ４６：リミットスイッチ、 ４８ニブラケツト、 ５０：軸、 ５２ニブラケツト、 ５４：センサ取付治具、 ５６：カサ歯車、 ５８：平歯車、 ６０：リミットスイッチ、 工０２；気流、 １０４：粗面、 １０６：微小孔、 １０７：吹出孔、 １０９：渦流、 １１１：乱流域、 １１３：境界層、 １１５：剥離点。 １０８： １１０： １１２： １１４： カルマン渦列、 乱流域、 空気制御装置、 境界層、 第 図 第 図 第 図（ａ） 第 図 （ｂ） 第 図 第 図 第 図（ａ） 第 図 （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）鉛直方向に移動可能な流線型形状の断面をもつ計測
   支柱の先端部に熱線流速計等の気流計測用センサが取付
   けられ、流れ方向に平行に設置された流れを左右に横断
   する方向に移動可能な門型構造物の中空部に走行する台
   車に設置されてなる風洞試験用トラバース装置。 ２）気流中の物体に生じる流体力を制御しうる流体力制
   御機構を有し、気流中に挿入された計測支柱に流体力学
   的な要因によって生じる振動現象等を除去することによ
   って、風洞実験による気流計測用センサの測定条件の向
   上を考慮した特許請求の範囲第１項記載の風洞試験用ト
   ラバース装置。 ３）流体力制御機構として、計測支柱の後端に仕切板を
   設け、後流に発生する渦の配列を制御してなる特許請求
   の範囲第２項記載の風洞試験用トラバース装置。 ４）流体力制御機構として、計測支柱の表面に粗面を形
   成し、気流の剥離点を後方に移すことを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の風洞試験用トラバース装置。 ５）計測支柱の表面に複数の小さなくぼみを設けてなる
   特許請求の範囲第４項記載の風洞試験用トラバース装置
   。 ６）流体力制御機構として、人工的境界層制御機構を利
   用してなる特許請求の範囲第２項記載の風洞試験用トラ
   バース装置。 ７）計測支柱の前部表面に空気を吸引する微小孔を設け
   、計測支柱後部に吸出孔を設けて、前記微小孔より吸引
   した空気を前記吹出孔より後流に還元し、計測支柱表面
   に形成される境界層を除去することを特徴とする特許請
   求の範囲第６項記載の風洞試験用トラバース装置。