スパイラルフィン付き回転円柱による渦の生成

摘要

回転本に働く力はマグナス効果としてよく知られた現象である.これまでマグナス効果に関する研究は数多く報告されており，それらについてはSeifertがまとめている.また，丸山らはマグナス効果の物理メカニズムについて考察を行っている.回転体の形状として球や単純な円柱が一般的であるが，それ以外の形状についての報告もある.例えば，Elliottは円柱と十字型のモデルに回転を与え，周速比（主流と円柱速度の比）が1以下では十字モデルの方が大きい揚力を得られることを示している.また，円柱の表面に円形の溝を付けることで，主流と順行する側の円柱面でははく離点が後方に移動し，空力性能が向上することも報告されている.これに対し，須内らは風力発電のブレードとして円柱にスパイラル状のフィンを付加することで揚力が劇的に増加することを明らかにした.スパイラルフィンの高揚力発生原理について，今村らは数値解析によってフィン付き円柱周りの流れ場を調べ，主流と順行する側の円柱上では通常の回転円柱よりもはく離点が後方に移動し，流体が加速されることを報告している.こうしたスパイラルフィンによる流体の加速は周速比が1の場合において, PIV (Particle images Velocimetry：粒子画像流速測定法）を用いた2次元的な可視化実験によって確認した.しかしながら，流体の加速やはく離点の後退が生じる理由についてはわかっておらず，スパイラル状のフィンが高い揚力をもたらすメカニズムは十分明らかになったとは言えない.そこで本研究では，スパイラルフィン付き円柱による高揚力発生機序を明らかにすることを目的に，三種類のモデルを用いてモデルに働く揚力およびモデル周りの流れ場を調べた.