Title
ノズル内の二次元物体後流によってフラッピングする
二次元噴流の渦構造(第２報，可視化観測および時系
列画像相関解析)
Author(s)
宮越, 勝美, 羽二生, 博之, 呉, 平, MIYAKOSHI, Kat
sumi, HANIU, Hiroyuki, WU, Ping
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日本機械学会論文集B編, 72(719): 1751-1758
2006-07
http://hdl.handle.net/10213/949
社団法人日本機械学会, 宮越勝美，羽二生博之，呉平
, 日本機械学会論文集B編, 72(719), 2006, 1751-175
8.
Journal Article
publisher
Additional
information
http://kitir.lib.kitami-it.ac.jp/dspace/
［
1匹1
論文No.()5-1253
[]本機械学会論文集(B編)
7匹719号皿67)
ノズル内の二次元物体後流によってフラッピングする
二次元噴流の渦構造*
(第２報，可視化観測および時系列画像相関解析)
平*2
宮越勝美*1，羽二生博之*1，呉
ｖｏｒｔｉｃａＩ
Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ
Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ
ｂｙ
(２ｎｄ
ａ
ｉｎ
Ｗａｋｅ
Ｔｗｏ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ
ｏｆ ａ
Ｒｅｐｏｒｔ， Ｆｌｏｗ
Ｋａｔｓｕｍｉ
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Ｃｙｌｉｎｄｅｒ
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ｌｎｓｔａｌｌｅｄ ｉｎ
ｖｉｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄ
ｌｍａｇｅ
ＭＩＹＡＫＯＳＨＩ*３，Ｈｉｒｏｙｕｋｉ
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of
a
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low
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fron!
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vortices
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vortex
vortices
ムappeari11
/,･,of
investigated
The/land力are
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Ｐｉｎｇ ｘＶＵ
y, alld
Jet
Vortices
these
types
Ｃｏｎｔｒａｃｔｉｏｎ
g.lfTechnology。
frequellcy,
contraction.
jet
of the
betweell
two
the
of
peaks,
石＝/1-瓦which
the
of that
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of
jet
half
Ｍｏｔｉｏｎ
Japan
distindive
velocinletry.
fl･equency
vortica】structures
a
frequellcy，
in
two
is
in
vorticahtructures
periodicities
coalesced
n!otion.
Ｎｏｚｚｌｅ
l11stitute
c]1..Kitamトshi.Hokkaido,119(ﾄS5117
napping
mean
that
motion
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瓦ey
exhibits
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the
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Knell
jet
ａ
Ｆｌａｐｐｉｎｇ
Ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ)
｀'￨)ｃｌ．ｌａｒｌｍｅｎい】f Mechanica]Engilleerjng.Kitami
165
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sheddillg
lt
is
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noted
t.he
that
modu】ationofamp]itude
八
Excitation,
Two-Dimensiorjal
visuaHzation
設置する円柱直径は調和形制御条件に比較して細くな
1.緒 言
るため，ノズル損失の増加を小さくできる利点があ
噴流現象の特徴の一つに強い混合・拡散作用が挙げ
る．
られる．この噴流の混合・拡散作用は，燃焼や伝熱・
したがって，非調相形制御は噴流の実用的な制御法
化学反応の促進,環境汚染物質の拡散などに広く利用
となる可能性が高いものと考えられ，さらに，非調相
されることから，その制御は工学上の重要な課題とな
形制御条件における噴流構造や,混合・拡散作用に寄
っている．このため，著者らはノズル内に設置した二
与するフラッピングの発生メカニズムを明らかにして
次元物体後流の渦で噴流中の渦構造を制御するパッシ
いく必要があるといえる．しかし，これまでの非調相
ブ制御法の開発を進めており，この制御法によって噴
形制御条件に関する研究は少なく，非調和形制御され
流の混合・拡散作用が促進される条件には，二次元物
たノズルの出口高さと出口速度に基づくレイノルズ数
体後流の渦周波数八に調和した噴沢内の渦構造が強
於が約101の二次元噴流中に,八/2[＝(/l＋力)/2]で
化される調和形制御条件と，噴流の速度変動に渦放出
変動する流れ構造が存在し，上下せん断層の満列の強
周波数八の1/2を挟んで周波数の異なる二つのスペ
さはy3(＝ブトカ)に基づく周期で交互に変動すること，
クトルビークノ1と石がみられる非調和形の制御条件
また，二次元噴流は強い渦列が形成されるせん断層側
があることを明らかにした田(2).
に湾曲することなど(3)が明らかにされているにすぎ
このうち，非調和形制御条件においては,八＝/1
ない．
十力,為＝/1−力の関係があり，噴流は石の低周波数
このため本研究では,比較的低いレイノルズ数にお
でフラッピングすることによって，混合・拡散作用が
いて二次元噴流が非調和形制御状態となる条件を見い
促進される(3).また，この制御条件では，ノズル内に
だし，おもに可視化によってフラッピングする噴沢内
の渦構造を明らかにした．さらに，これらの時系列可
゛原稿受付2005年12月19日.
‘j正員．北ll工業大学機械システムエ学科(●090-8507北見
市公園町165).
゛2正員．北見工業大学SVBL.
E-mai】:miya＠mech.kitamHt.ac.jp
現化画像を解析することによって,噴流中にみられる
ｊとﾌﾞ2の特異な周波数スペクトルの発生要因につい
て考察した．
107
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2650）
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０ａ︶
ＡＩＩ｀Ｖ
Ｉ
ノズル内の二次元物体後流によってフラッピングする二次元噴流の渦構造（第２報）
5.0 5.5 a.0
xcyi s.5 7.0 7.5
Fig,5 Flow
vjsua】jzation of flapping jet （6尚＝0.2，
Fig.4 Contro】effects of cylillder］ocationson jet half
width（,///,＝0.20.拓?≒2650）
Ｘ涵＝6，Rむ＝2654）
定義した．図４は、円柱設置位置による制御割合を示
ガの周波数に顕著なスペクトルピークがみられる．
したものである．制御割合＜が配＞は、制御円柱の設
これより下流では,μ/2付近のが＝0.169とが＝
置位淑が5.67≦Xﾉｶ≦6.67の範囲において1.1以上
0.147の周波数にもスペクトルピークが発生しており，
であり、特にX｡//･＝6の条件ではくみ満＞＝1.43と
また，Jμ≧6においてはが＝0.022のスペクトルピ
なった．これらの結果から、裁7≒2650の二次元噴流
ークが大きく増大することを確認している．また,夕
においてj//､＝0.20､y//に6の制御条件では噴流の
に基づく周期は3.4sであり，図５の可視化画像のフ
半値幅が著しく拡大することがわかった．このＸ｡山
ラッピング周期にほぼ対応している．これらの周波数
=i6の制御条件について噴流挙動を可視化した結果、
の間には.が＝/1*十が,が＝/1゛−y?の関係があるこ
噴流には約3.6秒周期のフラッピングの発生がみられ
とから.dlh＝0.2，X｡哨＝6の噴流制御条件は非調和
た．図５は、フラッピングの約1/4周期に対応する
形であることがわかる．なお./1゛,石*,ガの値は，文
0.9sごとのノズルスパン中央部の時系列画像を示し
献(３)のφゐ＝0.133,X.//,＝6,刄･≒1.0×104におけ
たものであり、噴流は到h≧8において大きく蛇行し
る非調和形制御条件(が＝0.513./1゛＝0.271,が＝
ていることがわかる.
0.244,か＝0.028)に比較し，約60∼79％の範囲とな
3･2 フラッピング噴流の速度変動 半値幅の拡
る．このことから．非調和形制御となるμなどの周
大が顕著にみられた瓦訪＝6の条件において、噴流中
波数の条件は．複数存在するものと考えられる.
の速度変動のスペクトル解析を行った．図６は、半値
3･3 速度変動のウェーブレット解析 特異なyl゛
幅付近における?ﾉ方向の速度変動zjのパワースペク
とタのスペクトルピークの発生要因をウェーブレッ
トル分布であり、変動周波数はノズル高さ/､と出口速
ト解析によって調べた．図7(a)は,がとタのスペ
度にに基づく無次元周波数ﾀﾞ*(＝/･/､/に)で示して
クトルピークが明りょうに現れるjr/ゐ＝4.一,＝0.65
いる．なお、ノズル出口において測定した円柱後流渦
における!ﾉ方向の速度変動がの波形である．がの変
の変動周波数は八＝4.2Hzであり、この制御条件に
動波形には周期性があり．また振幅の変化がみられ
おける円柱後流変動の無次元周波数はが＝0.315で
る．図7(b)は，この速度波形のウェーブレット解析
ある．
の結果であり，機軸は無次元時間1゛(＝1･a/ゐ)に，縦
ノズル出口近傍のJ仙＝2のせん断層においては、
軸は無次元周波数μに変換してある．また，等値線
−1閤
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路よく只乙ヽ召∠こ(y)(が卜１侭巾別市ン/1回享･９倅(才
浮司こ９ぺこり履凛〉ぐ￥こ直路(y)OP≒j9本勁征
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回収/I[耐路ズ/でｊ応召乙１ぽド別居￥雁(ｶ御店趾Ｏ
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り対こヅコり９‘９い｡ご肆尽印班浮肩禰路Gパ/(ぶ十
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ぶ別居￥層(j(q八圖≒)９(ﾎﾟ浮羽凝９本土冥罰制服
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肩禰路９々司￥海浮御店茄循(ﾎふ(ダドl/つ害毎居秘
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−
n55
したがって，ウェーブレット解析による局所時間の
周波数スペクトルは，図８(ｂ)のように(j*＋が)/2＝
μ/2が検出されることになる．なお,式(１)ならび
に式(２)での長時間波形のFFT解析結果は等しく，
yl*とガの二つの周波数においてスペクトルピークが
現れることを確認している．そこで,ん＝25以上での
０
２
ウェーブレット解析も行った結果,んの増加によって
４
6 8
/＝O/15s
10
１
６ ８
10 12
（ｂ）
／＝２ １５Ｓ
（ａ：
12
窓関数の時間スケールが大きくなると，等値線形状は
だ円状から時間軸方向に伸びた直線状に変化し,極大
値をとっていた周波数(戸十が)/2が消滅してガと
かの周波数が同時に現れるようになった．このよう
なんの相違による検出周波数の変化は,速度変動ど
の解析においてもサイン波形と同様な結果が得られ
０
２
た．
このようにウェープレット解析の結果から，噴流速
度変動に現れるｊとﾌﾞ2の特異なスペクトルピークは，
ｿ4と八の周波数をもっか流れ構造の間欠的な発生に
よるものではなく，八/2＝(/I十力)/2の基本周波数が
(プレ八)/2の低周波数で振幅変調するか，もしくはyl
と八の構造が同時に存在するためであることがわか
った．そこで,振幅変調が生じているのか，または，
（c）/こ4/15s
九とy2が固有に存在しているかを明らかにするため，
可視化によって渦構造の挙動を詳細に調べた.
3･4 非調和形噴流の渦構造 図９(ａ)∼(ｄ)は，
噴流せん断層に巻き上がる渦と制御円柱後流の渦を可
視化した2/15s間隔の時系列画像であり，また，図
9(e)は7/15s後の画像を，図9(Oは7.5/15s後の
ぶ/71
画像を示したものである．図9(a)のJ訪≒1の噴流
（d）/＝6･15s
中心には，ノズル内の円柱から周波数八で放出され
た時計方向に回転する渦ａ１があり，上下の噴流せん
断層においては，ほぽ同位相で巻き上がった渦１と渦
1'がみられる．その後,図9(b)のJ//z≒1.5では反
時計方向に回転する円柱後流渦ｂ１が,上下せん断層
では満2,2'の巻上がりがみられる．図９から，ノズ
０
２
ル近傍のせん断層の渦の巻上がり方は,通過する円柱
４
ｅ）
６ ８
10
12
＝
,㎜
…｜
…㎜
１;!Ｓ
後流渦の回転方向によって大きく異なることがわか
る．すなわち，時計方向に回転する円柱後流渦ａ１の
通過に伴い,ａ１と同じ方向に回転する下側せん断層
の渦1'の巻上がりは小さく，逆回転の上側せん断層渦
１の巻上がりは大きい．同様に，渦ｂ１が通過する場
合にもｂ１と同じ回転方向の上側せん断層の渦２が小
さく，逆回転の下側せん断層の渦2'は大きくなる．こ
･yi
の要因は，円柱後流渦の外縁の回転に基づく流れ方向
（f）/＝7.5/15s
と噴流せん断層の流れ方向が一致する場合にはせん断
Fig.9 Flnw
層が加速され,逆向きとなる場合にはせん断層が減速
flapping
されるためと考えられる．このように，円柱後流を用
１１１
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1757
ノズル内の二次元物体後胤によってフラッビングする二次元噴流の渦構造（第２報）
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Fig.13 Flow
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が，その周期性については図11の渦構造の場合と基
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本的に同じ結果となった．すなわち，図12(a)の相関
（削
係数の波形にも周期性とフラッピングに対応した極大
Fig.12 Time
trace and periodicity of time seriesjmage
correlationcoe佃cient.（a）time
値の変動がみられ，また，図12(b)に示す極大値の間
trace. （b）
隔についても，全体の約66％が乃＝0.467sとなっ
periodicity
た．なお,領域IIにおける時間間隔乃は,相関係数
応して変化することがわかる．また、図11(b)は/?
が表)＝0.3以上となる極大値から算出している．これ
＝0.2以上の画像相関係数が極大となる時間間隔71
らの結果から，領域ＩとIIの渦構造の周期は/lまた
を約250の極大値について示したものである．図
はﾌﾞ2の周波数には対応せず,2訴にほぽ一致すること
11(b)の時間間隔には、ほぼフラッビングの時間間隔
がわかった.
に対応した大きな変動がみられるものの、全体の約
3･6 フラッピング位相と噴流内の渦構造 図11
49％は771ご0.467sであり、この間隔は円柱からの渦
と図12の結果から，速度変動にみられる力と石の周
放出周期の２倍である2ぬにほぽ等しいことがわか
波数スペクトルの発生要因は,周波数八/2で一つの
った．
サイクルを終える渦構造がフラッピング周期で変動す
図12に、図9(Oの領域IIにおける渦構造変動の解
るためと考えられる．このことを明らかにするため，
析結果を示す．渦の形状は領域Ｉと明らかに異なる
フラッピング位相に対する渦構造の変化を調べた．
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