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はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
照屋, 功; 具志堅, 貴之; 山里, 栄昭; 伊良部, 邦夫
琉球大学工学部紀要(44): 13-20
1992-09
http://ir.lib.u-ryukyu.ac.jp/handle/123456789/1998
琉球大学工学部紀要第44号,1992年
はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
照屋功*具志堅貴之**山里栄昭*伊良部邦夫*
ExperimentaIStudyonUnsteadyStuctures
inaReattachingSeparatedFIowFieId
IsaoTERUYA*TakayukiGUSHIKEN**EishoYAMAZATO*
andKuniolRABU*
Abstract
Separatedandreattachingflowfieldsobsewedinengineering
equipmentsareextremolycomplexbecauseofitsunsteadinessandthree-
dimensionalstructure・Itiswellknownthatoforganizedlarge-scale
vorljcalstructurcsappearintheseparatedshearlayer、
Thepurposcofthisstudyistoexploreexperimentallythelargescalevorticesinaseparatedandreattachingshearlayerevolvingfrom
abackwardfacingstepedgeandtofindthewidthofthefreestream
andtheperiodicityofmotionoflaTge-scalevortices、
Inthisinvestigation,thereattachmentlengthoftheshearlayer
wasdeterminedbasedonthemeasurementswithathermal-tuftprobe・
Thewallpressureandthevelocityfluctuationsweremeasuredwitha
pressuresensorandanItypehotwireproberespectively・Thosedata
weroanalyzedbyaFFTanalyzen
TheobtainedresultsEhredescribedasfollows.(1)Thereattachment
lengthincreaseswiththeexpansionratio,W2/WLWhenthedistance
Xintheflowdirectionisnormalizedbythewidthofreattachment
regionAXh,theforwardflowfractiondistributionsatdifferent
expansionratio,W2/WI1fallononecurvenearthereattachment
region.(2)Accordingtoanalysisofthefrequencyofpressurefluctua‐
tions,thefrequencyoflarge-scalovorticesis/・日/Uo=0.7,whereH
isbeightofthestop,/isfrequencyandU0isvelocityofthemain
「low.(3)thepeakofpoworspectrumofthevelocityfluctuationsis
/、H/Uo=0.3~05.
KeyWords:BackwardFacingStep,Separation,Reattachment,Unsteady
Structure,FrequencyAnalysis.
受付11992年5月11日
*琉球大学工学部機械工学科
Dept,ofMechanicalEng・iFac・ofEng.
**琉球大学大学院工学研究科樹戒工学専攻
GraduateStudent,MechanicalEng.
13
照屋・具志堅・山里・伊良部:はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
14
1.緒言
側の壁に階段状のステップを有する流れ場を対象とす
流体機器・装憧内の再付着流れ場は非定常性,三次
元性を有し,極めて複雑ではあるが.はく離せん断廟
テストセクションと枠組みを別織造とした.テストセ
クションは厚さ10mの透明アクリル板製のステップ側
る.Fig.1に実験装置の概略図を示す.実験装置は,
断層の組織的大規模渦が流れに及ぼす影響は大きいが
壁Ⅲフラット側壁および上下端板から構成されるダ
クト内のステップ流れにおいて,主流部分,即ち非粘
その大規模渦の運動のうち周期性の強い運動に蒲目し,
性流れの部分の大きさと大規模渦運動の周期性の強度
これを励起しⅢ渦運動を統制化することで再付若流れ
との関係を明らかにするためステップ壁,フラット壁
場の本質的な現象の強化抽出流れ場制御での利用が
の間隔をボルトの調整による可変構造としたその際
出来る可能性がある.
フラット壁を移動し‘ステップ高さは変えないテス
の組織的大規模渦の存在が知られている.はく離せん
はく離せん断厨はこれまで様六な基本的形状につい
トセクションの寸法はスパン幅β=970nm01ステップ
て研究されている.例えば、前縁はく離の再付若流れ
高さノノ=60m(アスペクト比β/H=16.2),ステッ
では大規模渦運動の明確な周期性を示すデータが報告
プから上流の入口流路長さは600,,,ステップ下流長
されている111.また,ダクト内の乱流後方ステップ流
さは2000唾である.入□幅は最大500mまで広げられ
れの研究でもあまり明砿ではないが周期性は報告され
る.また,アクリル板にたわみが生じないよう50mmの
ている値しダクト内の後方ステップ流れでは,主流が
角パイプではしごを組み,裏面から補強した.入口形
消滅あるいはわずかしか存在しないため,大規模渦は
状は入口による影響を軽減するためベルマウスを取り
対向壁側の渦との相互干渉を起こし,そのためにその
付けた.
座標系は,流れ方向をX軸,スパン方向をZ軸,両
周期性が阻害され,捕らえにくいと考えられる.
本研究の目的は,はく離・再付着流れにおける大規
方に垂直になるようにステップ上面からY軸を設定し
模渦の周期運動を解明・利用するためにダクト内のス
た.拡大比はER(EXPANSIONRATIO)と表し,
テップ流れにおいて,主流部分,すなわち非粘性流れ
出口流路幅W2と入口流路幅WIの比W:/WIで定義
の部分の大きさと大規模渦の運動の周期性の強度との
される.本研究では1.2,1.33,1.5,1.75,20の拡
関係を明らかにすることである.
大比で測定を行った.
測定は主にステップ壁側で行った,ステップ壁側に
2.実験装置
圧力分布測定用の穴をステップ上流では30mm間隔‘X
/H=18以上では60mロ間隔であけ,サーマルタフト,
本研究では,後方片側ステップ!つまり流路内の片
圧力センサ共用の①30画の穴をステップからX/H=
iglo③④⑥
E三ニラ
⑥⑦
①B10wolIm0uIh
舅1ili1w‘
Fig.1
on
;
DuCIW811(FI21Side)
DucIw8Il($(ビpsidC)
SUcIori81moIlIh
BeIlmoulh
SchematicviewoftestsBctiolL
琉球大学工学部紀要第44号,1992年
15
18まで40mm間隔であけた.実験は、琉球大学大型風
フーリエ変換し,パワスペクトルを求めフロッピーディ
洞施設(吹き出し口1m)を用い]その流路内にテス
スクに記録した,サンプリング周波数は1280Hzで一
トセクションを組み込んで行った.
度に400個のデータを約5分間に1024回平均した.測
定位置は各拡大比の再付着点付近4ケ所とした.
3.実験方法
33速度変動
3.1順流率測定
速度変動の周波数解析にはI型熱線プロープを用い
はく離域の流れは定常ではなく,流速や方向は時間
た.磯本らぃの論文では,はく離せん断層内の乱流値
ともに変化して非定常の様相を呈している.そこで!
が再付着距離を決定する上で重要な役割を果たすのは,
流れ方向が近寄り流れと同じ方向の流れを順流,逆の
はく離直後の連行領域(X/H=1.25~2.5)であると
方向の流れを逆流と名づける.順流となっている時間
述べていることからX/H=0.5,15,2,5,3.5のス
割合を順流率と定義するさらに,再付着領域の壁面
テップ下流4断面を計測した.時間平均速度分布と乱
近くの流れは非定常であり1時間とともに順流,逆流
れ強さ分布を求め,その結果より0,+方向に8,10,
と変化するので再付・着点もたえず変化している.この
12,14116,24,-方向に-18m(Y/H=0,0.13,
場合,壁面近くの流れが順流率50%の位腫を時間平均
0.17.0.2,0.23,0.27,0.41-0.3)の8点を周波数
の再付着点と定義する.本研究ではサーマルタフトプ
解析点に選んだ.プローブからの電気信号は,熱線流
ロープ③を用い,順流率γを測定した.サーマルタフ
速計,リニアライザーⅡローパスプィルタを通して
トプローブの信号は,約1kHzでサンプリングし,ハー
FFTアナライザに取り込んで,1回当り400点のデー
ドディスクに記録した後に順流率を求めた.
タを高速フーリエ変換して1024回分(約5分間)の平
均スペクトルを求め,これをフロッピーディスクに記
録した.
3.2圧力変動
圧力センサはサーマルタプトプロープの孔に圧力セ
ンサ用のアダプタを取り付けて行う(Fig.2).圧力
4.実験結果および考察
変動の信号はアンプで増幅しローバスフィルタで高周
波成分をカットする.その後FFTアナライザで高速
傘
国
FYouノ
鋤
<=>
一
しVJMftm"eILUqjl
新たに製作した実験装置の健全性を見るため,まず
WWVDzdttm加GI⑰⑭11
Adcpte「んrP7℃6s…z”8
Pme8sw℃se7Dsormotm8edo汎I1BstSect”〃
Fig.2Pressure3ensorandwindtunnelwallonwhich
thePressuresensorismounted.
16
照屋・具志堅・山里・伊良部:はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
0.6
。。
04
0.2
-0.2
0
0-10
30
20
10
X/H
Fig.3Distributiono「wBLll-pressurecoe「ficients.
入口速度分布や壁面圧力分布,二次元性の確認などの
ステップ下流方向でも圧力は緩やかに減少してきてい
予傭実験を行った.壁面圧力分布をFig.3に示す.
入口付近で圧力係数Cp艫がいったん上昇しているの
る.以上のことから本実験装置は後方ステップ流れ場
の実験装麓としてほぼ健全と言える.
は入口のペルマウスで流れが局所的に加速されるため
である.その後各拡大比においてX/H=0まで傾き
4.1順流率
がほぼ一定である.これは乱流塊界層が十分発達して
Fig.4に順流率分布を示す.順流率が0.5となる
いることを示す.ER=1.2とER=2.0を比べてみる
位置を,時間平均の再付着点とし,はく離点から再付
着点までの距離をXhと表す,拡大比が大きくなるに
とER=2.0の場合がステップ下流で圧力上昇が大き
くなる.これは拡大比が大きい場合,速度エネルギが
圧カエネルキに変換される量が大きくなるためである
1
仁○一一○○」」三○正で」○三」。」
0-5
つれ再付着距離が大きくなっている.これは,はく離
せん断屑がはく離してから再付着する過程で,はく離
I
I
《
OER=1.2
△ER=1.33
□ER=1.5
▽ER
=
■
1.75
◇ER=2.0
D
0
1...、I
510
X/H
Fig.4DistjFibutiono『fOrwardflowfraction.
15
△●●■
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’0■■■■■叩。.●■■●‐■■.●勺50』・恥-1●
jol0T。5.07.0士0.....8
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数は90Hz前後で,実験装置の気柱の基本振動数(音
ほぼ同じ曲線になることが判る.
、
OdqG:告白Pb●ロ・●SCB●・●。。F・●・ロロ
せん断層外から流体の流入が必要であり,拡大比が大
4.2周波数解91ヅテ
きくなるにしたがい供給源の主流部分が小さくなり,
4.2-1圧力変動
再付着距離が伸びると思われる.Fig.5はFig.4の
横軸を再付着領域の幅Axhで無次元化して,順流率
Fig.6に再付着点付近4点の圧力変動パワスペク
トルを示す./・Hi/ひ。=0.2付近に鋭いピークが見ら
γの分布を再褐したものである.これをみると拡大比
れるがこれは拡大比がER=2.0の場合が最も高く,
ER=1.2になると消滅している.このピークの周波
に関係なく再付着点をはさんで±AXh/2の領域で
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。。■■・ロロⅥ0.8■むくロ■・□
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琉球大学工学部紀要第44号,1992年
1
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-3-2-10123
(X-X)。/△Xh
Fig.5DistributionoIforward『lowfractionvorsusdistance
normalizedbylengthofroattachmentregion.
Fig.6PowerspectrumdensityoIpressurefluctuation.
照屋・具志堅・山里・伊良部:はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
18
速をU,代表長さをステップ下流長さにとりLとする
主流が占める割合が大きくなるので,せん断層内に主
と。/=u/2L)とほぼ一致する.また,中心周波数
流から供給されるエネルギが大きくなり,ピークの持
/・Ll/Uo=0.7で幅を持ったピークがみられる.これ
つエネルギも大きくなっている
は馬淵(`'らの実験結果とほぼ一致し,佐八木ら㈱によ
4.2-2遠度変動
り提唱されている再付着領域を通過する大規模渦の周
波数に近い値である.よってこのピークは大規模渦の
はく離点下流4断面(X/Xi-O~0.52)におけ
存在を示すものと思われる.ピーク値の高さは,拡大
るせん断層内のX方向時間平均速度U(Fig.7)及
比が小さいほど大きくⅢ拡大比が大きくなるのに伴い
び乱れ強さTtL(Fig.8)の分布を示す.速度分布Ⅲ
変動エネルギのピークパワは弱くなることを示してい
乱れ強さ分布よりX/H=0,5から3.5へとせん断層
る.これは拡大比が小さいほど流路をせん断層に比ぺ
が成長している.ER=2.0とER=1.2の速度分布を
L」
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0.2
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Fig7DisLributionoftime-meanlongitudinalvolocity,
0.
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0.1、/5万/UbO
Fig、8Distributionofturbulenceintensity.
0.1
0.2
V孟旨ノロ、
琉球大学工学部紀要第44号,1992年
ロー10
も
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100
ノーH/Ub
Fig.9PoworspectrumdensityoIvolocity「luctuation.
比べてみると!ER=2.0の場合!X/H=O~0.3付
きなピークの中心周波数は変わらないまた乱れ強さ
近で主流が消滅してきているのがわかる.これより拡
大比が大きいとはく離せん断層と対向壁の境界層が相
互干渉を起こしていると思われる.乱れ強さ分布から
は,拡大比による差異は見られないこれらの分布よ
り周波数解析の対象としてせん断層外縁付近の計測点
分布にも見られるように測定位置での乱れ強さは拡大
比によってあまり変化がないしかし拡大比が大きく
なるにつれてある程度幅を持ったピークもより顕著に
なりER=2.0のX/H=0.5ではピークが現れて
くる.
を選んだ.
速度変動のバワスペクトルを示す.Fig.9はそれ
ぞれER=1,5とER=2.0の場合である.ノ、H/い=
0.2付近で卓越したピークがあるこれは気柱振動に
5.結論
新たに設計・製作した実験装置の健全性を確認し,
よる影響と思われる.しかし,この周波数/もH/い=
02で円柱からの渦放出が知られており,詳細な検討
拡大比による再付着距離への影響及び,拡大比と大規
が必要である.各測定断面のX/H=1.5~3.5につ
以下の結論を得た.
いては中心周波数/・日/ひ。=0.3~0.5で,ある程度
幅をもったピークがあるが,ER=1.5の場合,
X/17=0.5ではピークがない.ピークの原因は渦の
エネルギがそこに集中しているからであり,下流に行
くにしたがって’中心周波数が高周波領域から低周波
領域へと移動しているこれは,せん断層のエネルギ
の高周波成分が低周波成分に移ってきていることを示
す.また中心周波数のパワは下流にいくに従って大き
くなってきている.森ら⑥によるとこれらは,はく離
せん断層内の大規模渦が次会と合体を繰り返しながら
模渦の周期性との関係の解明を試みた.これらより
1)拡大比が大きくなると,再付着距離も長くなりⅢ
距離Xを再現付着距離ムXiiで無次元化すれば拡大
比に関係なく順流率分布は同一曲線になる
2)大規模渦に関係すると思われる再付着点付近の壁
面圧力変動のバワスペクトルピークは.'.H/Ub=
0.7にある.またスペクトルピークは拡大比が小さ
くなるほど高くなる
3)大規模渦に関係すると思われるはく離せん断圏の
速度変動のパワスペクトルピークは中心周波数/、H
/Uo=0,3~0.5にある.
I移動しているためである.次に二つの拡大比を比較す
4)中心周波数のパワは下流にいくに従って大きくな
ると無次元化周波数/・H/Uo=0.3~0.5の比較的大
り.はく離せん断層内の大規模渦が次★と合体を綴
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照屋・具志堅・山里・伊良部;はく離・再付着流れの非定常構造に関する実験的研究
り返しながら移動していると思われる.また,はく
離直後の渦のパワは拡大比が大きくなるに従い顕著
になる.
今後は,この新しく製作したアスペクト比の大き
参考文献
(1)
い実験装邇を用いて,流れ場制御の観点から周期的
かく乱を付加した場合の大規模渦の挙動などを探っ
佐合木・木谷,機論.49-447,B(1983).
(2) ROOS,F、W、andKEGELMAN,』.T、,AIAA
journaLVoL24,DBC、1986,1956-1963.
(3)
ていきたい
照屋・山里・伊良部,琉球大学工学部紀要,40
(1990),11.
終わりに実験装置の設計及び製作にあたり助力を
(4)
受けた鱈間進一技官,実験に協力して下さった当時
大学院生の日下部純二君,また当時卒研生の古吉
(5)
馬淵・村田・熊田,機論,52-479,B(19861
佐友木・木谷,機論,51-461,B(19851
(6)
森・内田・酒井,機論,52-481,B(1986).
功明,島袋善和の両君に謝意を表する.