オールブレードに働く非定常流体力 （アスペクト比と先端形状の影響）

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1 オールブレードに働く非定常流体力 （アスペクト比と先端形状の影響）
造前学会　秋期講演会発表 平成16年11月26日　於　東京海洋大学 オールブレードに働く非定常流体力 （アスペクト比と先端形状の影響） ○宮下　雅樹（東大生研）、木下　健（東大生研）、 小林　寛（海技研）、板倉　博（東大生研）、鵜沢　潔(東大工)

2 研究の背景 漕艇を工学的見地から研究することは長らく行われてこなかった。
オールのブレードに働く力を推定する際には、定常状態を仮定して行われている。 実際のブレードは、流速迎角がダイナミックに変化する振動翼として働いている。 平板を用いた回流水槽実験で、非定常の流れに対する平板の振る舞いを調べた。

3 本研究の概要 実際に使用されているオールブレードに対して、アスペクト比やブレード先端形状を変えた計4種類のオールブレードに対して回流水槽実験を行った。 漕艇機械効率に大きく寄与する直圧力係数Cnに対する、オールブレードのアスペクト比とブレード先端形状の影響を調べた。

4 Rowing Boatの動き ドライブ 進行方向 進行方向 Catch Finish 進行方向 フォーワード

5 オールブレードの水中での動き （流れの迎角の変化）
＜ストロークサイド（左舷＞ catch finish middle ＜流れの迎角の変化＞ middle catch finish 艇の進行方向

6 流れの速度の変化 流れの迎角α、速度VBは 水中で過渡的に変化する。 艇の速度 ブレード クラッチ ハンドル
このとき、流体力係数 Cn をこのように定義することにより、ブレードに加わる力を、オールの振り角と水中でのブレードの移動速度であらわすことができるようになります。

7 オールブレードに加わる流体力 実艇実験より推定された、オールブレードに加わる流体力は、準定常の考えから得られるものとかけ離れている。
オールブレードに加わる力には、流れの速度・迎角が過渡的に変化することによる非定常流体力の寄与が大きい。

8 回流水槽実験（平板） ストローク中にブレードにかかる非定常流体力をより定量的に評価するために、オールブレードを模した平板を回流水槽内で回転させ、平板にかかる流体力を測定した。

9 直圧力係数Cnの定義 計測において、平板に加わる力は板に直角方向が主であり、コード方向の力はほとんど検出されませんでした。
流体力が働くレバーは、このように鉛直軸回りのモーメントを流体力で除すことで求められます。

10 Reduced frequency (換算周波数)
翼の運動１周期ごとの対翼弦長比速度 　　：流速、　　　：振動の代表周期 　　：翼弦長 類似現象の指標として、Keulegan-Carpenter number　　, 泳動数　　、ストローハル数　　などがある。 個々で、reduced frequency とは、翼の運動１周期ごとの対翼弦長比速度をあらわし、この式のように定義されます。 振動の代表周期とは、この場合は迎角がゼロからπまで変化するのに必用とする時間すなわち、CatchからFinishまでの時間になります。 このような reduced frequency と同種の指標として、魚類等の遊泳能力をあらわす泳動数や、円柱回りの流れの渦などに関するストローハル数などがあります。

11 平板の実験結果 平板を回転させた場合は、回転させない場合よりはるかに大きな直圧力係数Cnを示した。 非定常流体力の寄与が大きい。
　　　　　　　　非定常流体力の寄与が大きい。 平板が流れに対して直角のときの直圧力係数Cn（α＝π/2）は、換算周波数 ｆｒ と非常に大きな相関を示した。

12 Cn(α=π/2)の reduced frequencyに対する変化
Reduced frequency の変化に対する、迎角がπ/2のときのCnの変化はこのようになります。 様々にパラメータを変えた計測の全てが、１本の線上に並んでいることが分かります。 この水槽試験による結果と、先ほどの実艇実験からの推算値を比較しました。

13 実際のオールブレードを用いた回流水槽実験
ブレードを回転させたときの直圧力係数Cnの変化に対する、ブレードのアスペクト比やブレード先端形状の影響を調べる。 直圧力係数Cnと換算周波数 fr との関係を調べ、実際のオールブレードを用いた場合においても、Cnがfrの関数となっているかを調べる。

14 使用したオールブレード Original形状(アスペクト比=0.44) Highアスペクト比(アスペクト比=0.52)
Lowアスペクト比(アスペクト比=0.35) Delta翼形状(アスペクト比=0.42)

15 回流水槽実験の模式図

16 アウトボードモーメントMn 直圧力係数Cnと着力点の位置Lを用いて、以下の様にアウトボードモーメントMnを計算。 ハンドル スリーブ
ブレードの中心 ハンドル 着力点 スリーブ

17 実験条件 回流水槽の流速 0.8, 1.0, 1.2 [m/s] ブレード上面と水面の距離 100[mm](天蓋有り） ブレードの回転周波数
0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2, 0.25, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6 [Hz] ブレードの回転角 0～π[rad] Reynolds数 約4×105

18 結果の解析 １．それぞれのブレードに対して、ブレードの回転に伴うアウトボードモーメントMnの変化を調べ、アスペクト比と先端形状の影響を調べる。 ２．ブレードが流れに対し直角の時のアウトボードモーメントMn（α＝π/2）と換算周波数 fr との関係を調べる。

19 実験結果 Mnの変化：Original形状
π/4 π/2 3π/4 π ブレードの回転角[rad]

20 実験結果 Mnの変化：Highアスペクト比
π/4 π/2 3π/4 π ブレードの回転角[rad]

21 実験結果 Mnの変化：Lowアスペクト比 Mn π/4 π/2 3π/4 π ブレードの回転角[rad]

22 実験結果 Mnの変化：Delta翼形状 Mn π/4 π/2 3π/4 π ブレードの回転角[rad]

23 考察：Mnの変化 ｆｒがおよそ2以下の時は、平板の場合と同様にfr に比例してMnも大きくなっていくが、frがおよそ2
　Mnのとる値が異なる。Original形状に比べ、 　Lowアスペクト比、Delta翼形状はより大きな値を 　とる。

24 結果：Mn(α=π/2）とfrの関係 Mn（α＝π/2） fr

25 考察：換算周波数との関係 実際のオールブレードの場合においては、 Mnとfrの関係は平板の場合のように線形ではなくより複雑になり、また、ブレードの形状によってもその関係は変化する。 実際のローイングに近い、fr=1.4の時のMｎ（α＝π/2）で比較 Lowアスペクト比 Delta翼形状 13.6%の向上 13.1%の向上

26 結論１ 実際のブレードの場合においては、ブレードに 加わる流体力を、平板の場合のように一意に 換算周波数のみで評価することは難しく、関係
　加わる流体力を、平板の場合のように一意に 　換算周波数のみで評価することは難しく、関係 　はより複雑であることが明らかになった。 Original形状のブレードに対して、Lowアスペ　 　クト比、Delta翼形状の方が、大きなMnを得る　 　ことが分かった。アスペクト比や先端形状を変　 　えることで、漕艇機械効率を向上させることが 　可能であることを示すことが出来た。

27 結論２ 翼のアスペクト比が低い方が効率的であるという結果は、蛾やとんぼの羽ばたきの場合と同様の結果を示している。
結論２　 翼のアスペクト比が低い方が効率的であるという結果は、蛾やとんぼの羽ばたきの場合と同様の結果を示している。 前縁に生ずる２次元的な渦がスパイラル状に発達することにより大きな流体力が生じる可能性があるとされている。 オールブレードの場合においても、羽ばたきと同じような非定常渦による流体力が大きいと考えられる。

28 これからの展望 CFDを用いた現象の解明 シミュレーション結果と実験結果と照合することで、ストローク中のオールブレードに働く流体力が何によるものであるのかを調べる。 アスペクト比やブレード先端形状を変化　　させることで、実際に物理現象としてどのような変化が生じているのかを調べる。