縮流ノズル内壁面境界層の再層流化と液体噴流自由界面波との関連性

收缩喷嘴内壁边界层再层化与液体射流自由界面波的关系

• 批准号: 15760117
• 负责人: 伊藤 和宏
• 金额: $ 2.3万
• 依托单位: University of Hyogo (2004)Himeji Institute of Technology (2003)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-15760117/
• 关键词: 縮流ノズル; 液体噴流; 壁面境界層; 再層流化; 自由界面波; せん断層; 線形安定性理論; せん断層安定性

高エネルギービームのターゲットを模擬した高速液体噴流の自由界面現象について,縮流ノズル内壁面境界層の発達過程との関連性を調査した。ノズル壁面境界層をレーザー流速計で測定するとともに,噴流自由界面に照射した細いレーザー光の屈折角を光位置検出素子で計測することにより,自由界面変動の周波数特性を測定した。ノズル出口境界層が層流となる低流速の場合,噴流自由界面には周期性の高い縞状波が観察され,自由界面変動のパワースペクトル分布は明瞭なピーク(卓越周波数)を持つ。また,流速の増加により出口境界層が乱流へと変化すると,自由界面は乱れ,スペクトルのピークは消失した。よって,本測定法により,ノズル出口境界層の性状に依存した噴流自由界面の変化を,スペクトルの分布形状から定量的に扱うことが可能となった。比較的高流速の条件では,ノズル内部の圧力勾配下においても境界層内層の乱れは減少しないことが示された。内層の乱れの残留によって,ノズル出口付近における乱流境界層への再遷移が速やかとなり,自由界面の乱れが増加する。よって,ノズル設計において,出口付近の乱流再遷移への配慮が重要であることが示された。一方,再層流化された境界層が剥離して生ずる縞状波は,自由界面下せん断層の安定性理論により予測される。非粘性オア・ゾンマーフェルト方程式を,チェビシェフ多項式展開を用いて固有値問題に帰着させ,噴流自由界面の線形安定性を評価した。空間増幅率が最大となる最不安定擾乱の周波数は,測定された卓越周波数と良好に一致した。また,本解析で対象とした噴流は,全てのウェーバ数に対して不安定解を持つ。しかし,ウェーバ数が小さくなるほど擾乱の増幅率は減少するため,せん断層厚さが薄いなどの低ウェーバ数条件では,表面張力により噴流自由界面波が抑制されることが明らかとなった。

To investigate the correlation between the free interface phenomenon of high speed liquid jet and the development process of inner wall boundary layer of contraction flow Measurement of the velocity of the free interface of the jet In the case of laminar flow and low velocity at the exit boundary layer, periodic high frequency waves are observed at the free interface of the jet, and the distribution of free interface motion is clearly observed (predominant frequency). When the velocity increases, the boundary layer at the exit becomes turbulent, and the free interface disappears. The characteristics of the exit boundary layer depend on the evolution of the jet free interface, and the shape of the distribution depends on the quantity of the jet free interface. Compared with the high velocity conditions, the internal pressure of the layer is reduced. The residual disturbance of the inner layer increases with the increase of the disturbance of the free interface, and the remigration of the turbulent boundary layer increases with the increase of the disturbance of the free interface. The design of the system, the distribution of turbulence near the exit, is important. On the one hand, the delamination of the boundary layer is predicted by the stability theory of the fault under the free interface. Non-Viscous Polynomial Equations for the Evaluation of Linear Stability of Jet Free Interfaces The spatial amplitude ratio is the largest and the most unstable disturbance frequency is the best. This analysis is based on the theory of jet flow, and the whole process of the analysis is based on the theory of unstable solution. The amplitude of disturbance decreases when the fault thickness decreases and the number of faults decreases, but the surface tension suppresses the jet free interface wave.

项目成果

Internal-Shear Mode Instabilities on High-Speed Liquid Jet, (I) Characteristics of Linear Solutions

高速液体射流的内剪切模式不稳定性，(I) 线性解的特性

• 发表时间: 2004
• 期刊: Journal of Nuclear Science and Technology 41・8
• 作者: K.Itoh;H Nakamura;H.Kumamaru;Y.Kukita
• 通讯作者: Y.Kukita

Internal-Shear Mode Instabilities on High-Speed Liquid Jet, (II) Experimental Analysis of Curved Target Flow

高速液体射流的内剪切模式不稳定性，（二）弯曲目标流的实验分析

• 发表时间: 2004
• 期刊: Journal of Nuclear Science and Technology 41・8
• 作者: K.Itoh;H Nakamura;H.Kumamaru;Y.Kukita
• 通讯作者: Y.Kukita