機械における流体計測と空力騒音の解析－高付加...

機械における流体計測と空力騒音の解析

－高付加価値の機械の開発－

佐々木壮一

長崎大学大学院工学研究科

KTC大学合同新技術説明会・技術相談会福岡国際会議場（2018.10.19)

はじめに－技術シーズの概要－

空気や音は目には見えないが，高性能な機械を開発するためには，それらを定量的に評価することが重要である．

この技術シーズでは，流れの計測に基づいて機械から発生する空力騒音を解析する方法を提供する．

2018/10/19 KTC大学合同新技術説明会 2

高性能低騒音

流れの計測

新たな価値の創造

空力騒音の解析

内容

はじめに

【事例1】建設機械のエンジン冷却ファンの開発

【事例2】水平軸風車の広帯域騒音の予測法の研究

【事例3】自動車ドアミラー周りの空力音源の解析

おわりに


課題－エンジン冷却ファンの騒音－

2018/10/19 KTC大学合同新技術説明会

エンジン冷却のための走行風が期待できない；圧力よりも冷却風量

大量の人工風をファンで発生させる；ファンの空力騒音が増大

ラジエータやエンジンなどの流路抵抗; 低流量域での運転

Overall 102 dBFan 99 dBEngine, etc. 97 dBExhaust 89 dBIntake 87 dB

4

ファン騒音の低減

輸出の国際規制

作業環境の改善

ファン性能の試験装置


1000

xz

y

300 300 700 1050 500

3990

Dampar

100

0

1000

750

Pitot Tube Static Pressure Tube

Hot-wire

Strut

ImpellerMoter

Torque Meter

Test impeller

Table. Main dimensions of the test impellerD 613 mmZ 14ν 0.424

Fig. Experimental apparatus

1000

Damper

TorqueMeter

Impeller

MotorStrut

NoiseLevelMeter


1.0 m

1.0 m

1.0 m

4.0 m

0.6 m 0.4 m

5

空力特性と騒音スペクトル


102 103 10420

40

60

80

100

120

f , Hz

L p ,

dB

N = 1200 rpmZ = 14

φ=0.30 (88.8 dB) φ=0.17 (98.6 dB)

BPFMech. Vib. Noise

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

with partitionP14L = 0 mm

N = 800 rpm N = 1000 rpm N = 1200 rpm N = 1400 rpm

φ

ψS

Off design point Design point

Fig. Aerodynamic performance Fig. Noise spectra

最高効率点近傍が設計点；低流量側が非設計点

非設計点の広帯域騒音が低周波の領域で設計点よりも大きくなる．

熱線流速計と熱線プローブ

熱線流速計

→ 流体中の加熱された抵抗線

→ 放散によって熱エネルギーが奪われる

→ 熱線の温度と共に電気抵抗値が変化

定温度型熱線流速計

→ 加熱センサに風が当たると冷却

→ センサの一定温度に保つよう電流が変化

→ 電流測定；流速／変動を検出

カノマックス HPより引用


( )2 1/2aV a b U T T= + ´ -

Kingの式

（KANOMAXのHPより引用）

V：ブリッジ電圧 Ta：流体温度

U：風速 a,b ：定数

T：センサ温度

羽根車後流の流れ場


0

50

100

150

0 50 100 150

7

8

89

9

10

10

1112

x , mm

y, m

m

12mm 60mm

Partition(32mm)

Fig. Measurement method of the flow regime Fig. Distribution of velocity fluctuation

Blade7mm

Trailing EdgeLeading Edge

0

100N = 1200 rpmZ = 14

Leading Edge

φ=0.30 φ=0.17

102 103

0

100N = 1200 rpmZ = 14

Trailing Edge

f , Hz

φ=0.30 φ=0.17

ρu θ

2p 0

Fig. Spectral distributions of the velocity fluctuations at the blade tip

2018/10/19

102 103 10420

40

60

80

100

120

f , Hz

L p

N = 1200 rpmZ = 14

φ=0.30 (88.8 dB) φ=0.17 (98.6 dB)

BPFMech. Vib. Noise

Leading Edge

Broadband Noise

KTC大学合同新技術説明会

Blade7mm

Trailing EdgeLeading Edge

速度変動のスペクトル分布

9

新技術の提案－リングファンの開発－

リングファン－高性能ファンの開発－

→ リング状シュラウド; 翼端側の流れの改善

→ 羽根の剛性の向上; 大きな振動環境での利用

→ 翼端側での漏れ流れの改善; 冷却風量の増加

(a) Propeller Fan (current) (b) Ring Fan (Improved)

Fig. Development of the high performance fan


翼先端漏れ流れ

内容

はじめに




おわりに


水平軸風車


(1) 三菱重工業カタログ，三菱風力発電設備，H440-WT02J2-C-0, p5.

Fig. Prototype of a Wind turbine of MHI (Ref. 1)

Table Delivery Record (Ref. 1)

1980年代以降，陸用の中型風車が日本国内に多数建設された

93年当時、軽くて強いFRPを用いた羽根車の量産体制が整えられた

90年代後半以降、欧州で風車生産が進む

水平軸風車の騒音


102 103 10420

30

40

50

60

70

80

λ = 11.9 ( 90.5 dB ) λ = 8.2 ( 82.9 dB ) BGN ( 77.9 dB )

L A ,

f , Hz

V = 8.7 m/s

水平軸風車から発生する騒音は，構造物の機械振動音や大型風車固有の低周波騒音などを除けば，広帯域騒音が支配的な因子となる．

• Amiet, R.K., Noise Due to Turbulent Flow past a Trailing Edge, Journal of Sound and Vibration, 47, pp. 387-393, 1976.

• M. S. Howe, A Review of the Theory of Trailing-Edge Noise, NASA Contractor Report 3021, CONTRACT NAS1-14611, 62 pages, 1978.

課題－広帯域騒音の予測法－


Ω

z

dr

rV

ω

dD

θ

dL

φ

Wx

αy

r Ω ( 1 + a’ )

V ( 1 –a )

水平軸風車の羽根車の代表的な設計法には翼素運動柳理論がある．

この理論は風車の空力特性の初期性能の解析に積極的に利用されているに対して，風車の広帯域騒音の解析に応用された先行研究はほとんどない．

近年，ターボ機械の研究開発には商業用コードが用いられるが，高周波の広帯域騒音の改正を十分な精度で予測することは困難である．

(a) Rotor (b) Blade elementFig. Schematic view of the blade element method

H. Snel, Review of the Present Status of Rotor Aerodynamics, Wind Energy, 1, pp. 46-69, 1998

翼素運動量理論を広帯域騒音の予測へ応用

数値シミュレーション

計算コストの増加

Wind Tunnel

口400 mm

KTC大学合同新技術説明会2018/10/19 15

Chord

C (mm)

Thickness

T (mm)

Span

L (mm)

t/C*100

(%)NACA0018 30 5.4 100 18

Fig. Overview of the examined blade

Table Main dimensions of the blade

Fig. Experimental setup of the wind tunnel experiment

Capacity; 25N

翼素運動量理論

α

θ

V ( 1 – a )

r Ω ( 1 + a’ )

W

dL

dD

x

y

φdL

(a) Rotor (b) Blade element

Fig. Schematic view of the blade element method

(3) 佐々木壮一，他3名，後縁フラップ翼による風車のストール制御に関する研究，ターボ機械，45-2，pp.75-81，2017

Ω

dr

rV

ω

W

α


Target Wind Turbine


radius chord Blade shape10.5 0.31

NACA0018

9.5 0.388.5 0.447.5 0.506.5 0.565.5 0.634.5 0.693.5 0.752.5 0.811.5 0.88

20

0

2

3 35

9 4

7

R = 1 0 . 5

R = 9 . m

R = 8 . 5 m

R = 7 . 5 m

6 5 0

7 2 8

5 . 5 m

8 1 9

8 9 7

9 7 5

1

1 9 8

6 0

2 9 1

3 9 0

3 5 9

3 2 . 6

880φ

403m

Ｒ=10.5mNACA0012

Ｒ＝9.5

494

NACA0012

572

Ｒ＝8.5NACA0012

650

R=7.5NACA0015

22- 700PCD

200 R=0.5

1114

R=1.5

NACA0030

1053

R=2.5

975

335

R=3.5

Ｒ＝4.5

897

819

Ｒ＝5.5

Ｒ＝6.5

728

NACA0015

NACA0018

NACA0018

NACA0021

NACA0025

500φ

400φ

200

M24

テーパ1/30

NACA0012

NACA0012

NACA0012

NACA0015

NACA0015

NACA0018

NACA0018

NACA0021

NACA0025

NACA0030

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

050

0

Fig. Schematic view of the objective impeller

Table Specifications of each segment

10.5

風車性能の予測


Fig. Output power of the wind turbine

0 10 200

10

20

30

V , m/s

L , k

W

12 deg. 18 deg. 24 deg. 30 deg. 36 deg.

N = 20 rpmD = 21 m

α

θ

V ( 1 – a )

r Ω ( 1 + a’ )

W

dL

dD

x

y

φdL θ

風車性能と広帯域騒音の予測


Fig. Output power of the wind turbine Fig. Relationship between the radius of the impeller and angle of attack

0 10 200

10

20

30

V , m/s

L , k

W

12 deg. 18 deg. 24 deg. 30 deg. 36 deg.

N = 20 rpmD = 21 m

102 103 104

0

20

40

60

f , HzL p

, dB

V = 6 m/s (56.4 dB)

N = 20 rpm ; D = 20 mZ = 3 ; r = 100 m

NACA0018

V = 12 m/s (58.8 dB)

広帯域騒音の予測


102 103 104-20

0

20

40

60

f , HzL p

, dB

tip side ( r = 9.5 m ) mid span ( r = 6.5 m ) hub side ( r = 2.5m )

N = 20 rpm ; D = 20 mZ = 3 ; r = 100 m

NACA0018

Fig. Noise spectra in each span position

20

0

2

3 35

9 4

7

R = 1 0 . 5

R = 9 . m

R = 8 . 5 m

R = 7 . 5 m

6 5 0

7 2 8

5 . 5 m

8 1 9

8 9 7

9 7 5

1

1 9 8

6 0

2 9 1

3 9 0

3 5 9

3 2 . 6

880φ

403m

Ｒ=10.5mNACA0012

Ｒ＝9.5

494

NACA0012

572

Ｒ＝8.5NACA0012

650

R=7.5NACA0015

22- 700PCD

200 R=0.5

1114

R=1.5

NACA0030

1053

R=2.5

975

335

R=3.5

Ｒ＝4.5

897

819

Ｒ＝5.5

Ｒ＝6.5

728

NACA0015

NACA0018

NACA0018

NACA0021

NACA0025

500φ

400φ

200

M24

テーパ1/30

NACA0012

NACA0012

NACA0012

NACA0015

NACA0015

NACA0018

NACA0018

NACA0021

NACA0025

NACA0030

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

1000

050

010

.5

KTC大学合同新技術説明会

新技術の提案－ストール技術の開発－

2018/10/19 21

内容

はじめに




おわりに


課題－自動車ドアミラー騒音－


Technical issue on the interior noise of an automobile→ 【Mech. Vib. Noise】 Engine, Transmission, Tire, Suspension → 【Aerodynamic Noise 】 Door Mirror, Prior, Fan , Buffet

Door Mirror have to mount the automobile under the law→ the door mirror itself becomes the noise source induced by the disturbance of the air

Driver feels Uncomfortable noise because it mounts by the drivers seat

Engine

Deflection

Suspension

Tire

Door Mirror

Aerodynamic Noise

Mechanical Vibration Noise

23

課題－熱膜センサと音源探査－


1.山田昌弘，高感度小型圧力センサの開発，機講論(2004)，pp.239-234.

2.農沢隆秀, 他3名，自動車における空力騒音の音源構造について,日本機械学會論文集(B編), 75-758(2009), pp. 1989-1995.

多点の同時計測や簡易計測には不向き

3.上運天昭司，他３名，マイクロ熱膜せん断応力センサの設計および特区性評価,日本機械学会後縁論文集,(2000),pp.723-724.

【課題】

【課題】

フィルム型の熱膜センサが空力音源の解析に応用された先行研究は少なく，その定性的な計測技術の有効性についても不明な点が多い．

24

熱膜センサの空力音源の解析への応用

・摩擦速度

・摩擦係数

・ Prandtlの摩擦係数

熱膜センサ


Fig. Heat film probe

【フィルム型熱膜センサ】

Flow

Door mirror

HeatingFilm

Flow

Nickel HeatingFilm (100μm)

16mm

⊕正圧→空力音源

乱流渦→負圧₀=ρu₀*

²p⁻

p⁺

₀ ∝ p⁻

【Prandtlの摩擦係数に基づく摩擦速度】

25

ドアミラー騒音の実験装置



Microphone

26

102 10330

40

50

60

70

80

90 with mirror (74.6 dB) without mirror (70.0 dB) background noise (61.5 dB)

120 km/hθ=0 deg

1 st BPF Noise Body Noise

L A

f , Hz

Back Step Noise2nd BPF Noise

自動車ドアミラーの空力騒音


Fig. Noise spectra of the automobile door mirror

27

熱膜センサ－摩擦速度変動－


Fig. Measurement position Fig. Comparison of the friction velocity fluctuation

28

102 10310-2

10-1

100V = 140km/h

body side of the visor

tip side of the visor

f ,Hz

u 0*

低周波騒音源

低周波騒音源

102 10310-2

10-1

100V=140 km/h

door glass beside the mirror

tip side of the visor

f , Hz

u 0* ,

V

熱膜センサ－摩擦速度変動－


Fig. Measurement position Fig. Comparison of the friction velocity fluctuation

29

高周波騒音源

高周波騒音源

熱線流速計－ドアミラー後流の速度分布－


Fig. Velocity distribution

30

Ｙ

Ｘ

低周波騒音源高周波騒音源

Wake vortexTurbulent vortices

OKNG

新技術の提案－品質保証への応用－


Engine

Deflection

Suspension Tire

Door Mirror

官能のグレーゾーンに対する定量的な評価方法の確立

Yamauchi, K., Sasaki, S., et al., Subjective evaluation of vehicle door mirror noises with differing clearances between parts, Proc. of 22nd Int. Congress on Sound and Vib., 2015, 6 pages.

主観評価定量的評価

おわりに

機械における流体計測は，基礎的な技術によってなされることがわかりました．

流れに関連する機械を開発するときには，まず実機まわりの流れを計測し，実際の課題を明確にすることが重要です．

課題となる流れの計測技術が確立されると，流れや音など機械を研究開発するための定量的な物理量を直ちに取得することができます．

機械の流体計測を製品の研究開発に取り込んで，付加価値の高い機械の創出に繋がれば幸いです．


機械における流体計測と空力騒音の解析 － 高付加...

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