噴流の制御

現在私がしようとしているのは，工業分野で広く利用されている噴流（JET）の混合・拡散・騒音を制御する手法の研究です．まず，噴流の制御にはどういう種類があるのか，眺めてみましょう．

噴流の制御には大きく分けて2つの種類があります．アクティブ制御(能動制御)とパッシブ制御です．

パッシブ制御というのは，制御しようとする対象(ここでは噴流)にエネルギーを注入せずに制御をしようという方法です．具体的には，

• • 非円形ノズルを使用する

  • ノズルの内壁に突起を設ける(乱流促進体)

  • 噴流の流下方向に物体(円柱や金網)を置く

  • 流体中に界面活性剤を添加する(機能性流体)

など挙げられます．このパッシブ制御は，"噴流中の渦構造を変化させる"ことに大きな特徴があります．普通の円形噴流では，ノズル付近で渦輪と呼ばれるドーナッツ型の渦が形成されます．それが下流に行くに従い，変形していきます．この渦構造が噴流の挙動を決定する大きな要因となっています．

非円形噴流では，ノズルの形状が円形ではありませんから，渦輪がひしゃげた形で形成されます．当然のことながら，下流に行くに従い，円形噴流の渦輪とは異なった変形過程を示します．この円形噴流とは異なった変形過程を利用したものが，パッシブ制御(特に"非円形ノズルの使用")です．

上に書いてきたのは，自由噴流･衝突噴流の区別がありませんが，特に衝突噴流に限っていえば下の2つの研究が有名です．

• • 衝突壁面から少し離れた所に多孔板を置く

  • -M.M.Ali Khan･笠木･平田，第17回伝熱シンポジウム(1980)，pp37-39，40-42， M.M.Ali Khan･笠木･平田，第18回伝熱シンポジウム(1981)，pp199-201，208-210

  • 流れ場に円柱列を挿入する

  • -片岡･浜野･南浦･指江･李，第26回伝熱シンポジウム(1989)，pp662-664

一見するとそれほど熱伝達が促進できるようには思えませんが，かなりの効果があります．Khanらの多孔板を置くのは，衝突壁面近くで乱れを誘起することで熱伝達率upを図っています．片岡らのは円柱列を挿入することで，円柱間を通過する流体が縮流されて速度が増し，その結果熱伝達がupします．

このようにパッシブ制御に関しては様々な研究が行われています．が，パッシブ制御にも限界があります．パッシブ制御は流れ場に対して何か操作を加えて(ノズルの形状を変えたり，突起を設けたり)も，一度操作をしてしまうとその後はそのままにするしかありません．つまり，不可変なわけです．

それに比べてアクティブ制御は，非常にcontrolable(容易にコントロールすることが出来る)です．アクティブ制御の代表的な例としては，

• • 音波で噴流を励起する

  • ノズル出口付近に突起を設けて，それを振動させる

などがあります．特に音波励起して噴流制御を試みた研究例は非常に多く，僕の尊敬するF.Hussain先生も数多くに論文を書かれています．音波励起や振動させるということは，そこでエネルギーを注入しているわけです．エネルギーを注入することで，流体の運動(特に渦構造の変形)に変化を与えて制御しよう，これがアクティブ制御の特徴です．

現在，私が研究しているのはアクティブ制御の範疇であり，音波励起を利用しています．下の図のように，波形発生装置(function synthesizer)で正弦波を発生させて，それをアンプで増幅しスピーカーにつなぎます．スピーカーの膜面振動を，注射筒･チューブを介して，ノズル付近に設けたスリットから噴流に伝えます．