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乱流工学 講義内容

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乱 流 工 学<br />

機 械 工 学 系 飯 田 明 由<br />

講 義 内 容<br />

乱 流 ( 非 定 常 ランダムデータ)の 数 学 的 な 扱 い<br />

非 定 常 データの 統 計 処 理<br />

非 定 常 流 れ 計 測 の 具 体 例<br />

乱 流 の 工 学 的 応 用 1( 自 動 車 の 空 力 設 計 )<br />

乱 流 の 工 学 的 応 用 2( 空 力 騒 音 )<br />

流 体 計 測 技 術<br />

ピトー 管 , 熱 線 流 速 計 ,LDV,PIV,PSP, 可 視 化<br />

数 値 流 体 解 析 技 術<br />

2010 乱 流 工 学 2


流 体 力 学 の 研 究 アプローチ<br />

理 論 解 析<br />

モデル 化 、 数 理 化<br />

線 型 安 定 論 , 統 計 理 論<br />

乱 流 理 論 , 非 線 型 解 析<br />

….<br />

風 洞 実 験 , 水 槽 実 験<br />

, 野 外 実 験 ,PIV,<br />

LDV,HW, 可 視 化<br />

……..<br />

差 分 法 、 有 限 要 素 法<br />

、LES,DNS,オイラ<br />

ー 法 、 渦 法 、ボルツ<br />

マン….<br />

現 象 の 発 見<br />

実 験 解 析<br />

数 値 解 析<br />

現 象 解 明<br />

2010 乱 流 工 学 3<br />

実 験 流 体 力 学 の 醍 醐 味<br />

好 奇 心 、 失 敗 の 蓄 積<br />

予 測 に 反 した 結 果 : 自 然 から 学 ぶ<br />

感 性 、 驚 き:イノベーション<br />

計 測 の 原 理 を 知 る<br />

生 のデータから 学 ぶ<br />

流 体 現 象 の 本 質 を 学 ぶ<br />

北 海 道 工 業 大 学 豊 田 先 生 のスライドから<br />

2010 乱 流 工 学 4


レオナルド・ダビンチ<br />

• 水 流 や 渦 の 詳 細 なスケッチ<br />

•ヘリコプターや<br />

飛 行 機 の 原 理<br />

• 渦 の 中 心 と 周 囲 の 違 い<br />

1452-1519<br />

2010 乱 流 工 学 5<br />

非 定 常 ランダムデータの 数 学 的 な 扱 い<br />

2010 乱 流 工 学 6


非 定 常 ランダムデータ<br />

時 間 とともに 変 動 する 流 れを「 非 定 常 流 」と 呼 ぶ. 低 Re 数 流 れを 除<br />

けば, 工 学 上 重 要 な 流 れはほとんどが 非 定 常 流 である.<br />

• 変 動 する 流 体 力 が 構 造 物 に 強 い 力 を 及 ぼす<br />

橋 梁 や 超 高 層 建 築 物 などの 構 造 物 の 渦 励 振 ,Flutter, Galloping..<br />

• 熱 伝 達 や 物 質 拡 散 が 桁 違 いに 促 進 されることがある<br />

2010 乱 流 工 学 7<br />

層 流 と 乱 流<br />

非 定 常 流 は 定 常 流 からの 類 推 を 使 うと 理 解 しやすいが, 非 定 常 流<br />

特 有 の 性 質 には 十 分 注 意 しなければならない. 複 雑 な 非 定 常 流 ( 乱<br />

流 )は 直 感 的 な 理 解 が 大 変 難 しい.<br />

層 流 境 界 層 層<br />

乱 流 境 界 層<br />

層 流 境 界 層 と 乱 流 境 界 層 違 いは?<br />

熱 伝 達 率 の 違 いはどこから 来 るのか?<br />

2010 乱 流 工 学 8


境 界 層 の 可 視 化 結 果<br />

乱 流 境 界 層 の 可 視 化 写 真<br />

平 均 値 から 瞬 時 値 の 構 造 を 予 測 することは 困 難<br />

平 均 値 だけで 非 定 常 データを 議 論 することはできない.<br />

2010 乱 流 工 学 9<br />

流 線 ・ 流 跡 ・ 流 脈<br />

1) 流 脈 ( streak line )<br />

特 定 の 一 点 を 通 過 した 流 体 が 描 く 線 : 煙 突 の 煙<br />

2) 流 跡 (path line)<br />

特 定 の 流 体 塊 がたどる 道 筋 を 記 録 したも: 風 船 の 軌 跡<br />

3) 流 線 (stream line)<br />

ある 時 刻 における 各 流 体 粒 子 の 速 度 ベクトルの 包 絡 線<br />

2010 乱 流 工 学 10


流 線 ・ 流 跡 ・ 流 脈 (2)<br />

t=0~5 秒 :u=1,v=1<br />

t=5~10 秒 :u=1,v=-0.5<br />

t=5 及 び10における<br />

流 線 ・ 流 脈 ・ 流 跡 は?<br />

流 脈 流 跡 流 線<br />

Y<br />

5<br />

t=5 Y<br />

5<br />

t=10<br />

5<br />

X<br />

X<br />

2010 乱 流 工 学 11<br />

ランダムデータ<br />

乱 流 のように 不 規 則 に 変 動 するランダムなデータ<br />

→ 標 本 関 数 (Sample function)<br />

ランダム 現 象 から 生 じたであろうすべての 標 本 関 数 の 集 まり<br />

→ 不 規 則 過 程 (random process)<br />

p o ,T o<br />

V<br />

R<br />

S<br />

M<br />

同 じ 実 験 を 何 度 も 繰 り 返 し, 計 測 しなければならない<br />

平 均 値 だけで 非 定 常 ランダムデータを 記 述 することはできないけれど,<br />

非 定 常 ランダムデータは 複 雑 なので, 平 均 値 も 現 象 を 理 解 する 上 で<br />

重 要 な 役 割 をはたす.<br />

2010 乱 流 工 学 12


平 均 値 の 性 質<br />

u = u +<br />

i<br />

i<br />

u<br />

i<br />

'<br />

速 度 変 動 u’の 期 待 値 は0である.<br />

u i<br />

u i<br />

u<br />

′ i = u′<br />

i( 1 u<br />

∫∫∫<br />

x1 , x2,<br />

x3,<br />

t)<br />

g(<br />

u′<br />

, x , t)<br />

d ′ = 0<br />

2010 乱 流 工 学 13<br />

ランダムデータの 平 均 値<br />

1<br />

µ = lim<br />

N<br />

N →∞<br />

N<br />

∑<br />

k = 1<br />

xk(<br />

t1)<br />

平 均 値<br />

1<br />

R( t , t1<br />

+ τ)<br />

= lim ( 1)<br />

( 1<br />

∑ xk<br />

t xk<br />

t +<br />

N<br />

1 τ<br />

N →∞<br />

N<br />

k = 1<br />

流 れA<br />

流 れB<br />

)<br />

モーメント<br />

平 均 値 は 一 緒<br />

一 般 的 な 実 験 : 時 間 平 均<br />

不 規 則 過 程 → 標 本 関 数 に 対 する 平 均 値 を 求 める 必 要 がある.<br />

2010 乱 流 工 学 14


分 散<br />

変 動 成 分 の 平 均 値 は0なので, 別 の 指 標 が 必 要 .<br />

変 動 成 分 を2 乗 して 平 均 すれば, 変 動 の 強 さを 求 めることができる.<br />

スライド9の 流 れAとBは 平 均 値 は 同 じでも 変 動 の 強 さ(パワー)は 異 なる<br />

T<br />

2<br />

ϕ 2 x(<br />

t)<br />

1<br />

= lim<br />

T →∞ T<br />

∫<br />

0<br />

物 理 的 データを 静 的 (static)な 成 分 と 動 的 (dynamic)な 成 分 に 分 けて 考 えると,<br />

staticな 成 分 は 平 均 値 で 記 述 される.<br />

一 方 , 動 的 な 成 分 は 平 均 値 との 差 の2 乗 平 均 値 で 分 散 (variance)で 記 述 される.<br />

σ<br />

T<br />

1<br />

2 ⎡<br />

⎤ 2<br />

= lim x t<br />

T T ∫<br />

( ) − µ<br />

⎢⎣<br />

⎥⎦<br />

→∞<br />

0<br />

dt<br />

流 体 力 学 では,2 乗 平 均 値 の 平 方 根 RMS 値 を 利 用 することが 多 い.<br />

RMSは 速 度 と 同 じ 次 元 を 持 つので, 平 均 速 度 で 無 次 元 化 して 表 すと<br />

どの 程 度 , 大 きな 変 動 があるのかわかりやすい.<br />

dt<br />

2010 乱 流 工 学 15<br />

エルゴート 仮 説<br />

不 規 則 過 程 {x(t)}<br />

時 間 平 均 値 μとR: 時 刻 t 1 が 変 わるとともに 変 わる 場 合<br />

→ 非 定 常 (non- stationary)<br />

μとRが 時 刻 tに 依 存 しない 場 合<br />

→ 弱 定 常 (weakly stationary)<br />

高 次 モーメントと 結 合 モーメントが 時 間 に 関 して 不 変 な 場 合<br />

→ 強 定 常 (strongly stationary)( 定 常 )<br />

不 規 則 過 程 {x(t)} 定 常 → 不 規 則 過 程 はエルゴート 的 (ergodic)<br />

エルゴート 的 な 不 規 則 過 程 はただひとつの 標 本 関 数 の 時 間 平 均<br />

からすべての 標 本 の 性 質 を 調 べることができる.<br />

2010 乱 流 工 学 16


平 均 時 間 の 重 要 性<br />

平 均 時 間 : 不 規 則 過 程 が 定 常 とみなせるように 取 る 必 要 がある.<br />

いかなる 時 間 平 均 値 も, 標 本 関 数 のアンサブル 平 均 と 等 しいという<br />

保 証 はない.<br />

非 定 常 不 規 則 過 程 であっても 十 分 長 い 平 均 時 間 をとれば,<br />

弱 エルゴート 的 ( 仮 定 )<br />

乱 流 の 統 計 解 析 においては 平 均 時 間 やデータの 取 得 時 間 は 非 常 に<br />

重 要 な 意 味 を 持 つ.<br />

よくある 間 違 い: 平 均 回 数 64 回<br />

2010 乱 流 工 学 17<br />

正 規 分 布<br />

xからx+∆xの 範 囲 のデータが 観 察 された 時 間 T x<br />

データを 観 察 した 時 間 T<br />

確 率<br />

T<br />

Prob[ x < x(<br />

t)<br />

< x + ∆x]<br />

= lim<br />

T →∞ T<br />

ランダムデータの 確 率 分 布 は 正 規 分 布 に 近 づく<br />

( 中 心 極 限 定 理 )<br />

p(<br />

x)<br />

=<br />

b<br />

x<br />

1 ⎡ ( x − a)<br />

exp⎢−<br />

2<br />

2π<br />

⎣ 2b<br />

2⎤<br />

⎥<br />

⎦<br />

2010 乱 流 工 学 18


スキューネスとクルトシス<br />

S<br />

K<br />

N<br />

1 ⎡ 1<br />

= ⎢<br />

σ<br />

∑ − 3<br />

⎣ N<br />

k =<br />

N<br />

1 ⎡ 1<br />

= ⎢<br />

σ<br />

∑ − 4<br />

⎣ N<br />

k =<br />

1<br />

0<br />

1<br />

0<br />

⎤<br />

3<br />

( xk − µ ) ⎥ ⎦<br />

⎤<br />

4<br />

( xk − µ ) ⎥ ⎦<br />

スキューネス<br />

歪 度 ( 正 規 分 布 では0)<br />

クルトシス<br />

尖 度 ( 正 規 分 布 では3)<br />

歪 度 ー<br />

尖 度 大<br />

正 規 分 布<br />

乱 流 などの 現 象 は 必 ずしも<br />

正 規 分 布 ではないこともあるが,<br />

性 質 の 良 くわかっている 正 規 分 布<br />

からのずれを 調 べることにより,<br />

現 象 を 理 解 することができる.<br />

尖 度 小<br />

2010 乱 流 工 学 19<br />

自 己 相 関 関 数<br />

1<br />

R( t , t + τ)<br />

= lim<br />

1 1<br />

T →∞ T<br />

∫<br />

0<br />

T<br />

xk(<br />

t)<br />

xk(<br />

t + τ)<br />

dt<br />

時 間 遅 れ0( 自 分 自 身 ) 相 関 100%<br />

Rij<br />

1.2<br />

1<br />

0.8<br />

0.6<br />

0.4<br />

0.2<br />

0<br />

f(r)<br />

g(r)<br />

時 間 遅 れ 大 無 関 係 相 関 0%<br />

-0.2<br />

0 1 2 3 4 5 6<br />

r<br />

小 ← 時 間 遅 れ → 大<br />

ランダムデータの 場 合 :<br />

時 間 または 測 定 位 置 が 離 れると0に 近 づく.<br />

(ランダムだから 無 関 係 )<br />

2010 乱 流 工 学 20


非 定 常 データの 統 計 処 理<br />

2010 乱 流 工 学 21<br />

スペクトル 解 析<br />

白 色 光 → プリズムによって 分 離<br />

乱 流 :たくさんの 渦 の 集 合<br />

周 波 数 の 異 なる 渦 ごとのエネルギーを 調 べる<br />

2010 乱 流 工 学 22


波 数 空 間 における 乱 流 の 性 質<br />

大 きな 渦 (エネルギーが 持 っている)<br />

等 方 性 乱 流 のように 性 質 が 良 くわ<br />

かっているスペクトルと 比 較 するこ<br />

とにより, 流 れ 場 の 性 質 を 理 解 す<br />

ることができる.<br />

現 象 理 解 に 役 立 つ<br />

小 さな 渦 ( 粘 性 により 熱 として 散 逸 )<br />

波 数 k=2πf/U<br />

( 実 験 では 周 波 数 f が 得 られることが 多 い.U は 平 均 速 度 )<br />

2010 乱 流 工 学 23<br />

フーリエ 変 換<br />

スペクトル 解 析 を 行 なうには, 非 定 常 信 号 を 周 波 数 毎 に 分 解 する<br />

必 要 がある.<br />

フーリエ 変 換 : 信 号 波 形 を 正 弦 波 の 組 み 合 わせによって 記 述<br />

フーリエ 変 換<br />

スペクトルアナライザー<br />

プリズムの 役 目 をするのがフーリエ 変 換<br />

2πt<br />

4πt<br />

6πt<br />

2nπt<br />

x( t)<br />

= b1sin<br />

+ b2sin<br />

+ b3sin<br />

+ K + bn<br />

sin + K<br />

T T T<br />

T<br />

正 弦 波 の 組 み 合 わせ( 周 波 数 , 振 幅 )で 波 形 を 記 述 する<br />

複 雑 な 波 形 を 周 波 数 と 振 幅 の2つの 量 によって 表 現 .<br />

2010 乱 流 工 学 24


フーリエ 変 換 の 例<br />

のこぎり 波 をフーリエ 変 換 で 表 す(n 次 の 級 数 で 表 す)<br />

8 ⎧ 2πt<br />

1 6πt<br />

1 10πt<br />

1 14πt<br />

⎫<br />

x(<br />

t)<br />

= ⎨sin<br />

− sin + sin − sin + K⎬<br />

π2<br />

⎩ T 32<br />

T 52<br />

T 72<br />

T ⎭<br />

1.5<br />

1.5<br />

1<br />

1 次<br />

x(t)<br />

1<br />

x(t)<br />

n=1<br />

3 次<br />

n=3<br />

0.5<br />

0.5<br />

x(t)<br />

0<br />

x(t)<br />

0<br />

-0.5<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1<br />

-1.5<br />

-1.5<br />

-1 -0.5 0 0.5 1<br />

-1 -0.5 0 0.5 1<br />

t/T<br />

t/T<br />

x(t)<br />

1.5<br />

1.5<br />

1<br />

x(t)<br />

1<br />

x(t)<br />

5 次 7 次<br />

n=7<br />

n=5<br />

0.5<br />

0.5<br />

0<br />

0<br />

-0.5<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1<br />

-1.5<br />

-1.5<br />

-1 -0.5 0 0.5 1<br />

-1 -0.5 0 0.5 1<br />

t/T<br />

t/T<br />

次 数 が 増 えるとより 正 確 に 記 述 できる(20 次 ~30 次 )<br />

2010 乱 流 工 学 25<br />

x(t)<br />

パワースペクトル<br />

・フーリエ 変 換 の 結 果 は 虚 数 (わかり 難 い)<br />

・フーリエ 級 数 の 絶 対 値 のパワーを 求 め, 周 波 数 毎 のパワーを<br />

比 較 するほうがわかりやすい<br />

・パワースペクトルはプリズムを 通 過 した 後 の 各 波 長 の 光 の 強 さに<br />

相 当 する.<br />

⎡ 1 2⎤<br />

⎡ 1<br />

⎤<br />

P(<br />

f ) = lim ⎢ X ( f ) ⎥ = lim<br />

→∞<br />

⎢ X ( f ) X * ( f )<br />

T<br />

⎥<br />

⎣T<br />

⎦ T →∞⎣T<br />

⎦<br />

2010 乱 流 工 学 26


乱 流 のエネルギースペクトル<br />

実 際 に 計 測 されたスペクトル<br />

10 8<br />

E(kη)/(v 2 η)<br />

10 6<br />

10 4<br />

10 2<br />

10 0<br />

10 -2<br />

A.T.G.<br />

Grid Turbulence<br />

A.T.G. (Makita)<br />

Atmospheric Turbulence<br />

Pao's model<br />

実 際 にパワース<br />

ペクトルを 求 め<br />

る 場 合<br />

流 れ 場 の 非 定 常<br />

計 測 データを 取<br />

得 する.<br />

FFTアナライザ<br />

等 で 分 析 する.<br />

10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2 10 -1 10 0 10 1<br />

kη<br />

2010 乱 流 工 学 27<br />

Fast Fourier Transform<br />

フーリエ 級 数 を 求 めるのは 数 学 的 に 大 変 な 作 業 .<br />

昔 は,バンドパスフィルターを 使 ってデータ 処 理<br />

Fast Fourier Transform(FFT)はフーリエ 級 数 を 高 速 に 演 算 する<br />

アルゴリズム<br />

FFTを 使 えば, 非 常 に 簡 単 にパワースペクトルを 求 めることができる.<br />

プログラムはA4 一 枚 程 度 の 簡 単 なもの.<br />

フリーソフトや 市 販 ツールも 豊 富<br />

あまりに 抱 負 で 誰 でも 使 えるので 間 違 った 使 い 方 も 多 い.<br />

2010 乱 流 工 学 28


スペクトル 解 析 の 手 順 と 注 意 点<br />

(1)データ 数 の 決 定 :データ 数 Nを2のべき 乗 に 選 ぶ N=2p<br />

(2)ウィンド 関 数 :Hannig Windowが 使 われることが 多 い.<br />

2<br />

⎡<br />

T<br />

⎧ ⎛ πi<br />

⎞⎫<br />

1<br />

Wc = 0.5⎨1<br />

− cos⎜<br />

⎟⎬<br />

µ = ⎢<br />

⎩ ⎝ N −1⎠⎭<br />

⎣T<br />

∫ − T<br />

/ 2<br />

⎤<br />

W 2 dt⎥<br />

=<br />

/ 2<br />

⎥⎦<br />

2<br />

3<br />

注 意 ウィンドの 影 響<br />

-4.36dB<br />

2010 乱 流 工 学 29<br />

スペクトル 解 析 の 手 順 と 注 意 点 (2)<br />

(3) パワースペクトルの 算 出 :フーリエ 係 数 からパワースペクトルを 推 定 する.<br />

u [m/s]<br />

~ ⎛ k ⎞ ∆t<br />

P⎜<br />

⎟ = [ Ak<br />

2<br />

+ Bk 2]µ<br />

⎝ T ⎠ N<br />

(4) 平 滑 化 : 一 般 にスペクトル 推 定 値 は 推 定 誤 差 が 大 きい<br />

統 計 平 均 同 一 条 件 でM 回 の 平 均 を 取 る.<br />

分 割 平 均 データをl 個 の 部 分 に 分 割 して 各 区 間 のスペクトルの 平 均 値 を 取 る.<br />

周 波 数 平 滑 周 波 数 空 間 での 重 み 平 均 を 取 る.<br />

1.5<br />

1<br />

0.5<br />

0<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1.5<br />

0 0.05 0.1<br />

t [sec]<br />

0<br />

0 100 200 300 400 500<br />

Frequency [Hz]<br />

2010 乱 流 工 学 30<br />

P(f) m2/S3<br />

0.03<br />

0.025<br />

0.02<br />

0.015<br />

0.01<br />

0.005


解 析 例 (FFT)<br />

2010 乱 流 工 学 31<br />

注 意 点<br />

パワースペクトルとパワースペクトル 密 度 の 違 い<br />

パワースペクトル 密 度 (1Hz 辺 りのパワー)<br />

規 格 化 しない 場 合 , 周 波 数 分 解 能 により 値 がかわる.<br />

周 波 数 空 間 で 積 分 した 結 果 はRMS 値 と 等 しくなる.<br />

ウィンド 関 数 の 補 正 (ハニング -4.36dB)<br />

dB 表 示 , 振 幅 表 示<br />

平 均 回 数 ,オーバーラップなど...<br />

良 く 使 う 簡 単 なツール:マニュアルを 良 く 読 む.<br />

小 野 測 器 のホームページにいろいろと 詳 しく 書 いてあるので 参 考<br />

になる.<br />

2010 乱 流 工 学 32


FFTの 問 題 点<br />

無 限 に 長 いデータ 系 列 を 扱 うと 仮 定 する.<br />

カルマン 渦 より 大 きな 振 幅<br />

はっきりと 捉 えられない<br />

間 欠 的 なデータは<br />

埋 もれてしまう.<br />

2010 乱 流 工 学 33<br />

ウェーブレット<br />

0.6<br />

0.4<br />

0.2<br />

0<br />

-0.2<br />

-0.4<br />

-0.6<br />

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10<br />

t<br />

さざなみ<br />

さざなみと 元 の 波 形 がどれだけにているかを<br />

調 べる<br />

2010 乱 流 工 学 34


解 析 例<br />

2010 乱 流 工 学 35<br />

離 散 ウェーブレット<br />

2010 乱 流 工 学 36


データの 縮 約<br />

物 理 的 に 意 味 のある 情 報 だけを 取 り 出 し, 記 憶 と 思 考 の 節<br />

約 を 図 る 必 要 がある.この 情 報 の 抽 出 ・ 圧 縮 を「データの 縮<br />

約 (Data Reduction)」と 呼 ぶ.<br />

フーリエ 変 換 ,ウェーブレット 変 換 は 縮 約 手 法 の 一 種 である.<br />

縮 約 手 法 : 数 学 的 な 操 作<br />

物 理 的 解 釈 の 背 景 や 制 約 が 取 り 込 まれているとは 限 らな<br />

い.<br />

必 ず 結 果 についての 物 理 的 解 釈 が 必 要 .<br />

2010 乱 流 工 学 37<br />

位 相 平 均 法 及 び 条 件 付 抽 出 法<br />

N<br />

1<br />

x ( t *)<br />

= x t + iT < t*<br />

∑ (<br />

*<br />

), 0<br />

N<br />

i=<br />

1<br />

< T<br />

周 期 T 毎 にデータの 平 均 化 処 理 を 行 なう.<br />

周 期 成 分 以 外 のランダムデータは0になる.<br />

2010 乱 流 工 学 38


Y/D<br />

条 件 付 抽 出 法<br />

渦 検 出 用 プローブ<br />

渦 構 造 測 定 用<br />

X プローブアレイ<br />

図 3.1 条 件 付 き 抽 出 法 による 乱 流 後 流 の 測 定<br />

2010 乱 流 工 学 39<br />

条 件 付 抽 出 法 ( 例 )<br />

2<br />

1.5<br />

θp=0<br />

1<br />

0.5<br />

0<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1.5<br />

-2<br />

-0.5 0.5 1.5 2.5 3.5 4.5 5.5 6.5 7.5<br />

X/D<br />

2010 乱 流 工 学 40


二 次 元 噴 流<br />

2010 乱 流 工 学 41<br />

境 界 層<br />

Ejection/Sweep 検 出 用 Xプローブ<br />

梯 子 型 プローブ<br />

Trip Wire<br />

平 板<br />

図 3.2 条 件 付 き 抽 出 法 による 乱 流 境 界 層 中 の 秩 序 構 造 の 測 定<br />

低 速 上 昇 流<br />

(Ejection)<br />

u' < 0 and v'<br />

> 0<br />

高 速 下 降 流<br />

(Sweep)<br />

u' > 0 and v'<br />

< 0<br />

2010 乱 流 工 学 42


非 定 常 流 れ 計 測 の 具 体 例<br />

2010 乱 流 工 学 43<br />

静 圧 変 動 計 測<br />

Steel Tube φ 1.06<br />

8 Pressure Holes φ 0.4<br />

(1)<br />

(34.3)<br />

54.8<br />

φ 7<br />

(10.2)<br />

1/4inch<br />

Condenser<br />

Microphone<br />

図 18 静 圧 変 動 プローブ<br />

北 海 道 工 業 大 学 豊 田 教 授<br />

2010 乱 流 工 学 44


静 圧 変 動 計 測 結 果<br />

2010 乱 流 工 学 45<br />

半 導 体 圧 力 センサ 式<br />

Steel Tube φ 1.06<br />

10 4<br />

Pressure Holes<br />

φ 0.4 × 8<br />

PressureTransducer<br />

φ=1.96<br />

PSD [Pa 2 /Hz]<br />

10 2<br />

10<br />

(1)<br />

(30.3)<br />

50.8<br />

(6)<br />

10 -2<br />

0.1 1 10 100 1000 10000<br />

Frequency [Hz]<br />

DC-4kHz<br />

乱 流 場 の 静 圧 スペクトル<br />

ダイナミックレンジの 問 題 :10m/s 以 上<br />

2010 乱 流 工 学 46


周 波 数 特 性<br />

p<br />

20<br />

15<br />

l<br />

d<br />

V<br />

Gain [dB]<br />

10<br />

5<br />

0<br />

-5<br />

-10<br />

-15<br />

圧 力 変 換 器<br />

-20<br />

10 100 1000 10000 100000<br />

Frequency f[Hz]<br />

fr<br />

M<br />

k µ<br />

2<br />

c πd<br />

c<br />

=<br />

=<br />

2π 4V<br />

( l + 0.6d)<br />

2π<br />

S<br />

Vl′<br />

100<br />

80<br />

60<br />

40<br />

20<br />

0<br />

-20<br />

-40<br />

-60<br />

-80<br />

-100<br />

10 100 1000 10000 100000<br />

Frequency f[Hz]<br />

2010 乱 流 工 学 47<br />

Phase [deg]<br />

高 速 PIV(ダイナミックPIV)<br />

2010 乱 流 工 学 48


高 速 PIV<br />

フレームストラドリング 法<br />

周 波 数 5kHz, 風 速 10m/s-30m/s<br />

2010 乱 流 工 学 49<br />

高 速 PIV( 計 測 例 )<br />

2010 乱 流 工 学 50


トンボの 周 りの 非 定 常 渦 度 場<br />

2010 乱 流 工 学 51<br />

音 と 渦 度 場 の 同 時 計 測 システム<br />

Flow<br />

High Speed<br />

Camera<br />

Nozzle<br />

Microphone<br />

495 mm<br />

Y<br />

Z<br />

X<br />

50 mm<br />

20 mm<br />

Laser<br />

Pulse A<br />

Pulse B<br />

Sampling<br />

Clock<br />

Synchronizer<br />

PC2<br />

AD Converter<br />

Trigger<br />

Sampling Clock<br />

PC1<br />

Trigger<br />

Trigger Switch<br />

2010 乱 流 工 学 52


音 と 渦 度 場 の 同 時 計 測 (シャープエッジ)<br />

(a)<br />

Sound Pressure [Pa]<br />

0.4<br />

0.3<br />

0.2<br />

0.1<br />

0<br />

-0.1<br />

-0.2<br />

-0.3<br />

-0.4<br />

(b)<br />

(d)<br />

(a)<br />

(c)<br />

(c)<br />

(b)<br />

0 0.5 1 1.5 2<br />

Time [ms]<br />

2010 乱 流 工 学 53<br />

(d)<br />

空 力 騒 音 の 違 いにおける 渦 の 変 形 の 様 子<br />

Flow Flow Flow Flow Flow<br />

シャープエッジ<br />

Flow<br />

Flow<br />

Flow<br />

Flow<br />

Flow<br />

R=10 mm<br />

2010 乱 流 工 学 54


感 圧 塗 料<br />

ポリフィリンに 紫 外 線 を 当 てると 発 光 する.<br />

発 光 強 度 は 酸 素 濃 度 に 反 比 例<br />

2010 乱 流 工 学 55<br />

計 測 の 様 子<br />

2010 乱 流 工 学 56


角 柱 表 面 の 圧 力 分 布<br />

2010 乱 流 工 学 57<br />

角 柱 表 面 の 圧 力 分 布<br />

C p<br />

C p<br />

2<br />

1.5<br />

1<br />

0.5<br />

0<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1.5<br />

-2<br />

2<br />

1.5<br />

1<br />

0.5<br />

0<br />

-0.5<br />

-1<br />

-1.5<br />

-2<br />

U = 35m/s<br />

α = 15deg<br />

U = 75m/s<br />

α = 15deg<br />

PSP<br />

Pressure Tap<br />

PSP(Moving Average)<br />

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4<br />

X /D<br />

PSP<br />

Pressure Tap<br />

PSP(Moving Average)<br />

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4<br />

X /D<br />

感 圧 塗 料 では 低 圧 の 流 れを 測 定<br />

することは 難 しい.<br />

35m/sと75m/sでは 測 定 精 度 が 大<br />

きく 異 なる.<br />

測 定 精 度 を 向 上 させるためには,<br />

流 れ 場 の 温 度 管 理 ( 温 度 依 存 性<br />

大 ), 物 体 の 振 動 (カメラの 位 置 座<br />

標 が 変 化 ),カメラの 分 解 能 (10<br />

ビット→16ビット)などの 改 善 が 必<br />

要<br />

2010 乱 流 工 学 58


HDD 表 面 圧 力 計 測<br />

1kPa<br />

校 正 実 験 の 様 子<br />

7kPa<br />

2010 乱 流 工 学 59<br />

高 速 応 答 PSP<br />

高 速 応 答 PSPについては 著 作 権 の 問 題 があるので, 研 究 者 と 関 連<br />

論 文 のURLを 記 載 します<br />

検 索 する 場 合 は,<br />

陽 極 酸 化 PSP 応 答 で 調 べるとヒットします.<br />

坂 上 博 隆 、 守 田 克 彰 < 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 総 合 技 術 研 究 本 部 ><br />

蒲 池 利 章 、 朝 倉 則 行 < 東 京 工 業 大 学 大 学 院 生 命 理 工 学 研 究 科 ><br />

http://www.iat.jaxa.jp/info/event/pim/1-30-0.pdf<br />

東 京 農 工 大 学 ・ 工 学 部<br />

航 空 宇 宙 技 術 研 究 所<br />

亀 田 正 治<br />

浅 井 圭 介 , 中 北 和 之<br />

http://www.nagare.or.jp/nagare/22-4/22-4-t03.pdf<br />

2010 乱 流 工 学 60


高 速 応 答 PSP<br />

坂 上 博 隆 、 守 田 克 彰 < 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 総 合 技 術 研 究 本 部 ><br />

蒲 池 利 章 、 朝 倉 則 行 < 東 京 工 業 大 学 大 学 院 生 命 理 工 学 研 究 科 ><br />

2010 乱 流 工 学 61<br />

衝 撃 波 管 内 の 圧 力 計 測<br />

東 京 農 工 大 学 ・ 工 学 部<br />

航 空 宇 宙 技 術 研 究 所<br />

亀 田 正 治<br />

浅 井 圭 介 , 中 北 和 之<br />

2010 乱 流 工 学 62

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