レインボーシュリーレン法による超音速マイクロジェットの3次元構造の解明

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本研究では、ノズル出口直径が１ｍｍの軸対称先細ノズルと出口形状が1mm×1mmの正方形先細ノズルから流出する不足膨張状態のマイクロジェットについて、レインボーシュリーレン偏向法を用いて流れ場を計測し、噴流内部の衝撃波の3次元構造に及ぼすノズル圧力比（ノズル上流のよどみ圧力と背圧の比）の影響を明らかにした。また、実験と同条件のもとにレイノルズ平均ナビエ・ストークス方程式（RANS）を用いた数値シミュレーションを行った。計算では、高速気体力学の分野で評価の高いstandard k-epsilon、realizable k-epsilon、Spalart-Allmaras、SSTｋ－omega等の乱流モデルを使用した。その結果、軸対称先細ノズルおよび正方形先細ノズルから流出するマイクロジェットのショックセル長さ、ノズル中心軸上の密度分布、マッハ数分布、衝撃波の3次元構造等に及ぼすノズル圧力比の影響を実験的に明らかにした。実験で取得した噴流の密度場は、SSTｋ－omega乱流モデルを用いると、数値シミュレーションで忠実に再現できることがわかった。レインボーシュリーレン偏向法で取得した軸対称マイクロジェットの密度場を過去のマッハ・ツェンダー干渉法で取得した密度場と定量的に比較した結果、両者は定量的に良く一致することがわかった。正方形先細ノズルから流出するマイクロジェットの噴流中心軸に対して垂直な断面の密度場の流れ方向の変化を実験と数値シミュレーションを用いて明らかにした。出口直径が１mmおよび出口形状が1mm×1mmで設計マッハ数が１．５の超音速ノズルから流出する不足膨張状態のマイクロジェットについて、レインボーシュリーレント偏向法による実験とLESを用いた数値シミュレーションを用いて、軸対称および正方形超音速マイクロジェットの噴流の時系列3次元構造を明らかにした。