高効率・低騒音混合を達成する花びら形ノズルをもつ円形噴流の基礎研究

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花びら形ノズルの代表例として、ターボファンエンジンのローブミキサーの流れを、低レイノルズ数型の応力輸送方程式による高次精度の乱流数値計算法で解析し、実験によってその信頼性を確かめた。一般座標系の計算に適している応力輸送方程式の低レイノルズ数型モデルを構築するために、2次元チャンネル流れを用いて新しいモデルを提案し、汎用性をもった係数を決定した。つまり、圧力・歪相関による再配分項についてはLRR(Launder-Reece-Rodi)モデルの係数を、応力の剪断成分に着目して、それが実験結果と一致するように調整した。壁面近傍の非等方性流れを表現するために、壁面近接効果項の新しいモデルを提案した。さらに、散逸量εの輸送方程式についても、壁面近傍の低レイノルズ数効果を表現できるように、定数を乱流量の無次元数を用いて関数化した。以上のモデルにより、レイノルズ数12000、60000の二次元チャンネル流れいずれにおいても実験データと一致する解を得ることができた。ローブミキサーの流れを上述の乱流モデルで計算した。計算領域を、コア、バイパス、ミキシングの三領域に分割し、上流側から順に計算を行い、各々の境界面で解を接続するという手法を取った。上流、半径方向外側に位置するバイパス領域では、コア領域との隔壁の形状が花びらのように大きく変化するにつれて、その表面にそって半径内側方向への流れが発生する。ミキシング領域ではこれらの二次流れが主流方向に軸を有する強い縦渦を誘引し、混合過程を促進する。以上の壁面付近の強い二次流れと、旋回流といった乱れの非等方性を有する流れを本研究の応力方程式モデルで計算し、平行して行われた実験と定性的に一致する結果を得ることができた。