超音速せん断層内に形成される縦渦を用いた混合促進に関する研究

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スクラムジェット・エンジンの開発において,超音速空気流と燃料流の速やかな混合は必須である.本研究では,圧縮性乱流混合の最も基礎的な場である圧縮性せん断層に注目し,混合促進の手法について検討してきた.圧縮性の影響が顕著になると,流れと垂直方向に回転軸を持つスパン方向渦の成長が抑制され,結果として流体混合が抑制される.このような抑制効果を避けるため,本研究では,「縦渦」の利用を試みた.縦渦は,流れ方向と同じ向きに回転軸を持っており,圧縮性の影響を受けにくいことが示唆されている.流れ場の空間発展計算を用いて,単せん断流れにおけるスパン方向擾乱の空間的成長を調べた.その結果,スパン方向擾乱は,スパン方向渦構造に絡みつくように成長する縦渦構造へと成長することが示された.単一のスパン方向擾乱を加えた場合には,流れ方向擾乱とのスケール比が1程度となるスパン方向擾乱が最大の混合促進効果を与える.複数のスパン方向擾乱を流れ場に加えた場合,スケール比1を持つスパン方向擾乱から成長する縦渦が顕著に成長することが明らかとなった.このような場合,単一のスパン方向擾乱を加えた場合よりも混合促進効果が低下するため,単一の擾乱源によって縦渦を励起する方法が混合促進に有効であることが示された.曲線型トレーリングエッジを用いた実験結果と比較すると,単せん断流れよりも二重せん断流れにおいて,縦渦による大きな混合促進効果が見受けられた.二次不安定性により誘起される縦渦はスパン方向渦に絡みつきながら成長する.二重せん断流れでは,単せん断流れよりも顕著なスパン方向渦が形成されるため,その分縦渦が形成されやすいことが原因であると考えられる.