音波エンジンにおける音響流の可視化とその制御方法の確立

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熱と音波の間のエネルギー変換現象である熱音響現象を利用すると,熱から音波を発生する音波エンジンや音波により冷凍を実行する音波クーラーが可能になる.これら熱音響機器は既存の熱機関と比較すると効率が低いが,これは熱音響エネルギー変換に本質的な問題があるわけではなく,進行波音波に伴って生じる定常的質量流(音響流)が引き起こす熱的損失が問題であると考えられている.しかし,直接的な観測に基づく音響流の定量的評価は未だに行われていない.熱音響機器の性能向上を目標として,音響流の計測を通じてその制御方法を提案することを目的に実験的研究を遂行している.昨年度はループ型の配管を持つ進行波音波エンジンにおける音響流の観測を行い,進行波音波の伝搬方向に流れる音響流を確認した.この音響流が音波エンジンの効率を著しく下げる可能性があることも分かった.今年度はパルス管冷凍機プロトタイプを作成し,その内部の振動流体ダイナミクスの計測を行った.自作した空気を作動流体とするオリフィス型パルス管冷凍機はオリフィスバルブを最適に調整することでマイナス5度程度の低温が得られることを確認した.最適バルブ開度における流動状態をレーザードップラー流速計ならびにシート状レーザー光による可視化実験により調べた.その結果,最適開度では音響インピーダンスの位相角が最も小さくなることが分かった.この振る舞いは簡単な等価回路で再現できる.また可視化により大振幅では顕著な音響流が発生することも分かった.