マイクロスケール超音速風洞の空気力学性能と幾何学的形状補正の相関に関する研究

摘要

著者らは，MEMS技術によるマイクロガスタービンェン ジンの開発を最終目標に研究を進めている。しかし，シリ コンのバルタマイクロマシ一二ングを利用して製作するた め，二次元の押し出し構造となる。これは，コンプレッサ 一設計の自由度で不利となる。コンプレッサーで空気を圧 縮した際，密度pが上昇するので，連続の式 m = pvA…………………………………………………、丄) を満たすため，出口断面積Aを減少させる必要がある。し かし，流路高さは一定の制約により，出口断面積は増加し， 空気の圧縮を行えない問題がある。その解決手段の一つと して，コンプレッサー出口の空気を圧縮する，トッピング サイクルによる圧力比の向上が考えられる。トッピングサ イタルには，ウェーブロータによる衝撃波を利用した圧縮 方法が考えられる。大型のゥヱーブロータは多段の軸流圧 縮機の発達により，必ずしも有効でない技術である。これ に対してMEMS技術においては圧縮機を多段にすること は難しく，圧力比は相対的に低くなるため，ウェーブロー タの導入は技術的課題の解決法としての魅力がある。図1 に示すように，圧力比上昇においてはディフューザ一によ る圧縮よりも衝撃波による圧縮の方が圧力比の高いことが 分かる(1)。図1ではディフユーザー出口と衝撃波前方の Mach数を0.2と固定し，ディフューザ一入口と衝撃波後方 のMach数が同じ値になるように変化させて圧力比を計算 した。以上の理由から，MEMS技術によるマイクロガスタ 一ビンエンジンに:ぉレ、て，マイク口スケールXのウェーブ口 ータによる圧力比上昇を検討する意義がある。しかし，現 在，マイク口スケールの流れ場で衝撃波が発生することは 十分確かめらいない。マイクロスケールのウェーブロータ を大型のゥヱーブロータの設計論に基づいて設計，製作す るためには，大型ゥヱーブロータの設計論の根拠となる連 続体の流体力学がマイク口スケール領域でも適用できるか 否かを検証する必要がある。そして，マイクロスケールの 流れ場での衝撃波発生を実証し，空力データを蓄積して， ウェーブロータ設計へフィードバックすることが重要とな る。本研究ではクヌッセン数もが0.1以下の連続体流れの 範囲で，マイクロスケール超音速風洞を製作し，衝撃波の 可視化と定量化を試みる。