Home > 解析事例・インタビュー > 工学院大学 工学部 様

解析事例・インタビュー

工学院大学 工学部 様
シンセティックジェットの研究に活躍
学生からも使いやすいと好評

[前編] 工学院大学の流体機械研究室では、流体特性の理解に熱流体シミュレーションソフトウェアSCRYU/Tetra®を活用している。実験と計算の両輪で進める同研究室において欠かせないツールであるとともに、使い勝手やサポートの柔軟さにより学生の研究への関心を高めるのにも役立っているという。

写真1 工学院大学 工学部 機械工学科 教授
博士(工学) 佐藤 光太郎 氏

 工学院大学 工学部 機械工学科の流体機械研究室では、小型化・簡易化が可能なアクチュエータで生成可能なシンセティックジェットをはじめ、軸流ファンやヒートポンプといった流体機械の流動特性に関する研究に取り組んでいる。同研究室の佐藤光太郎教授に、研究内容やSCRYU/Tetraの活用例、同ツールを用いる場合のメリットなどについて話を聞いた。

 通常のジェットエンジンでは、前方から空気を取り込んで燃焼室に送り込み、燃料を燃やして後ろにジェットを噴出し、ターボファンエンジンでも燃焼室下流のタービンで前方にあるファンを駆動し、後方へ噴射することで推力を得て飛んでいく。ジェットエンジンは大型化は得意で、例えばボーイング777のエンジンのファンは直径3mにもなる。一方で小型化は苦手であり、現在研究中のものでも数cm程度が最小だという。

写真2 佐藤教授と学生の皆さん

 シンセティックジェットは流体を前方から吸入して後方に放出するのではなく、振動によって渦対を生成し、下流にジェットと同様の流れをつくり出す。駆動源にはスピーカーやピエゾ素子、ダイアフラム、プラズマなどを利用する。例えば段ボールで作る空気砲は側面を叩くと穴から渦輪が出るが、それを周期的に放出するイメージだ。渦輪は周囲の流体を巻き込みながら、自己誘起によってより速く進もうとする。それを周期的に放出すると輪がたくさん連なり、速度分布が噴流構造、つまりジェットと同様の流れを得ることができる。

 シンセティックジェットでは流体の出入口(スロット)の時間平均流量はゼロとなる。噴出時には指向性を持つ噴流となるが、吸引 する時は指向性を持たない。そのため吸引の運動量はカウントしなくてよくなり、噴流形成にいたる。

 この方式の利点の一つは、小型化が可能ということだ。駆動源はスピーカーやイヤホン、インクジェットのインク吐出機構といった振動を発生するものであればよい。同研究室ではスロット幅0.3のシンセティックジェットも研究しており、原理的にはさらなる小型化も可能だ。外部からの非接触エネルギー供給も可能であり、電池などを搭載しなくても動かすことができる。これも小型化の上でメリットとなる。もう一つの利点は、ジェットエンジンのファンなどのように機械的に動作する箇所が少ないことである。これは耐用年数やメンテナンスの点で非常に有利となる。

図1 スピーカー駆動式シンセティックジェット装置
下部にスピーカーがあり、スロットから手前にジェットが噴出される ※クリックで拡大
 

図2 スモークワイヤ法によるシンセティックジェットの可視化観察例 ※クリックで拡大

図3 シンセティックジェットの数値解析例
振動周波数20Hz、スロット幅5㎜、代表速度毎秒3m/s
速度ベクトル図(上)、圧力分布図(中)、渦度分布図(下)※クリックで拡大

図4 実験結果と数値解析結果の比較
流速変動の振幅や位相はほぼ一致している
※クリックで拡大

スピーカー方式で実験と解析を回す

 同研究室の基礎研究の一つが、スピーカーを利用したシンセティックジェットである。図1の装置の下部にスピーカーが入っており、スロットで振動流が生成される。スロット幅は5㎜である。図2が煙を入れて可視化した図、図3がSCRYU/Tetraで解析を行った図である。さらに出口からの各距離における流速について実験とシミュレーションを比較した結果が図4である。実験とシミュレーションで、流速の大きさや位相もほぼ一致していることが確認できる。

 さらに同研究室では、周波数による流れの向きのコントロールも目指しているという。周波数の変化のみで流れの方向をコントロールできれば、装置の簡易化にも貢献する。ここでも実験とともにSCRYU/Tetraを活用しながら研究を進めているそうだ。

液体と駆動機械が直接触れない用途にも

 シンセティックの応用例として佐藤氏らが研究しているのがポンプ装置である(図5)。通常のポンプは羽根車が流体と直接接触して送液する。その際、流体が薬液や食品だとベアリングの潤滑油がどういう影響を及ぼすのかにも注意しなければならない。こういったものを輸送する場合は、効率は劣るが触れる部分に駆動部がないジェット方式が有効だ。シンセティックジェットは駆動部分や外部に触れたりすることがない。佐藤氏らはシンセティックジェットを使って、どういう振動条件などであれば最適に送液できるかなどを研究しているそうだ。

カプセル内視鏡などにも応用が可能

 シンセティックジェット駆動の応用先の一つとして想定されるのが、カプセル内視鏡だという。現在、自分で姿勢制御し、推進力を持つ自走式カプセル内視鏡も研究されている。現在研究されているのは、非接触で外部から磁力を変化させ尾びれを動かすタイプだが、これをシンセティックジェットに置き換えるための基礎的研究にも取り組んでいる。

 一方、シンセティックジェットは自動車の抵抗を減らすのにも使われているという。車体から流れの剥離が起きると抵抗になるため、ジェットを噴出して強制的に流れをボディに付着させ、剥離点を後ろにずらすという。

 シンセティックジェットは15年ほど前から本格的に研究されはじめた現象で、それ以前は音響流と混同して議論されてきたと佐藤氏は言う。駆動部がないことや小型化が可能なことにより、これからいろんなところに使われていくだろうということだ。​

(後編へ続く)


図5 シンセティックジェットを利用したジェットポンプ装置
※クリックで拡大

 

​​※SCRYU/Tetraは、日本における株式会社ソフトウェアクレイドルの登録商標です。
※その他、本パンフレットに記載されている会社名、製品・サービス名は、各社の商標または登録商標です。
※本パンフレットに掲載されている製品の内容・仕様は2015年4月現在のもので、予告なしに変更する場合があります。また、誤植または図、写真の誤りについて弊社は一切の責任を負いません。

プロフィール




 

工学院大学 工学部 機械工学科
設立 1949年
学校種別 私立
教授 佐藤 光太郎
所在地 東京都新宿区
URL http://www.kogakuin.ac.jp/another/hp/ge/

ダウンロード

PDF

本インタビュー記事のPDF版をダウンロードできます。

ダウンロード

関連ソフトウェア製品

関連製品

関連製品
非構造格子系汎用三次元熱流体解析システム
製品紹介ページヘ

このページを見た人はこのページも見ています

photo

青森県産業技術センター 様

食品の異物混入検査装置は熱設計が有効 使いやすさが熱設計PAC®採用の決め手に

  • 熱設計PAC
photo

東京理科大学 工学部 建築学科 様

暖房から喫煙室まで人の快適性をシミュレーションする

  • SCRYU/Tetra
photo

オリエンタルモーター株式会社 様

ファンを含めた解析を実施、結果は多方面に活用

  • SCRYU/Tetra
photo

ペイエット 様

建築設計とエネルギーモデリングプロセスを加速させるCFDツール

  • STREAM

※お客様の個人情報の取り扱いにつきましては、弊社個人情報保護方針をお読みになり同意の上お進みください。
※頂きましたご質問は、担当部署よりご回答申し上げます。内容によっては回答までに数日かかる場合がございます。
※お問い合わせの内容によっては(例:宣伝・勧誘・売込み等)、ご返信を差し上げられない場合がございます。

基板専用リアルタイム熱解析ツール PICLS

TOP