非対称ノズル列を用いた超音速旋回流の生成

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ディスク形MHD発電機を一層高性能化するために、発電流路入口でマッハ2程度まで加速される作動流耐に、半径方向だけでなく30°〜40°程度の円周方向の流速を与える、すなわち超音速旋回流とする方法がある。この目的のための、発電流路入口に放射状超音速ノズル列であるスワールベーンを配置している。しかし単純な対称形超音速ノズル列を応用した設計のため、スワールベーン出口円上に流速の不均一が発生し、発電機内のプラズマに悪影響を及ぼして発電性能を劣化させている。そこでこうした流れの不均一を起こさないように独自に設計した非対称超音速ノズルを応用した新型スワールベーンを製作し、旧型ベーンとともに風洞実験及び数値流体解析を行って生成される超音速旋回流の特性を調べ、スワールベーンの最適設計を検討した。まず、風洞実験ではマッハツェンダー干渉計を用いたベーン後縁部の流れの可視化及び、二次的な静圧分布計測を行った。この結果旧型ベーンでは出口の等密度線が大きく湾曲していることが確認され、それによる後縁衝撃波の発生及び下流の静圧分布のばらつきが見られた。このことから懸念された通りベーン出口で流速の不均一が発生しており、それが余分な損失の原因となり、下流の均一性を乱していることがわかった。これに対して新型ベーンでは、ベーン出口の等密度線がおおよそ発電機中心を中心とした同心円状になり、下流の静圧も等エントロピー的な均一な分布となった。これは均一な超音速旋回流が生成されていることを意味し、新型スワールベーンの有効性が確かめられたといえる。しかし、後縁衝撃波などの現象は残っており、完全には流れの不均一が無くなったわけではない。そこで二次元・非粘性・圧縮性数値流体解析を行い、さらに詳しい検討を加えた。計算結果で特徴的なのは、特にマッハ数において旧型ベーンはθ方向にランダムな不均一が見られるのに対し、新型ではベーンの後流でのみ不均一が大きくなっていたことである。このことは風洞実験では確認できなかったが、新型ベーンにおいてスロートでの音速線が上流側に大きくずれており、ベーンの前縁部で衝撃波による全圧損失が発生していることが原因である。しかし、亜音速部を改良した改良型ベーンの計算結果から、今後亜音速部の最適化によって、非対称ノズルを用いたスワールベーンは均一な超音速旋回流を生成することができることがわかった。