渦構造を伴う流れに生じるキャビテーションの挙動特性に関する研究

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渦構造が存在する高速流れでは渦心近傍が低圧となり,作動流体が液体の場合には低圧部にキャビテーションが観察されることが多い.本研究では縦渦や横渦などの渦構造の違いとキャビテーションの挙動特性との関係を明らかにすることを目的としており,本年度は特にその対象を横渦に絞り,周囲流れ場とキャビテーション挙動に関する研究を行った.実験では,二重円筒(径100mm,60mm)と2枚の円盤(外径99.5mm,98mm)により形成された軸対称の矩形キャビティ内に,外壁と円盤との間から高速隙間流れを流入させることにより強い横渦流れを実現し,壁面静圧計測,流れの可視化,キャビテーション挙動観察を中心とした実験計測をアスペクト比(長さ/深さ)AR=0.5,1.0,1.5,2.0の4種の矩形キャビティに対して行った.その結果,渦構造そのものに関してはアスペクト比により大きく異なることが判明し,深い矩形キャビティ(AR=0.5,1.0)の場合には安定した強い横渦がキャビティ内に形成されるのに対し,浅い矩形キャビティ(AR=1.5,2.0)の場合には複数の局所的な横渦がキャビティ内を非定常的に対流することが観察された.このことは数値解析によっても確認され,アスペクト比の大きい場合に見られた非常に複雑な渦挙動も精細に模擬された.一方,キャビテーションに関しても渦構造の違いによる影響が明確に現れ,特にアスペクト比が小さく強い安定な横渦が形成される場合には比較的高い周囲圧力において渦中心近傍でキャビテーションが急成長するのに対し,アスペクト比が大きい場合には多数の微小キャビテーション気泡が複数の横渦により支配される流れ場中を対流し,周囲圧力の低下に伴いそれらが結合して大気泡が形成されていく様子が確認された.今後は,画像処理技術等により渦構造とキャビテーションの成長挙動を定量的に明らかにしていく予定である.