本研究Gr.は，『革新的な空力設計手法の開発』を目的に研究を行っています． 九州大学で考案された『風レンズ風車』やエアコンの室外機等に幅広く用いられる『プロペラファン』といった軸流ターボ機械は，その動翼列近傍は風レンズ体もしくはシュラウド内である内部流れ場，動翼の入口(出口)は大気に開放された外部流れ場を有し，動翼列近傍において内部流れと外部流れが混在する複雑な三次元流れ場を呈します． このような内部流れと外部流れが混在する複雑な三次元流れ場を有する軸流ターボ機械に対し， 本研究室にて『三次元空力設計手法』という設計手法が開発されました． 今年度からはさらに革新的な設計手法構築へ向け，遺伝的アルゴリズム[Genetic Algorithm : GA]を組み込んだ設計法の開発を行います．

本研究室で開発された『三次元空力設計手法』は，翼力を考慮した子午面粘性流れ解析過程および三次元逆解法翼設計過程から構成されます． 　本三次元空力設計手法の特徴は，動翼への流入速度分布および空力負荷分布を容易に考慮可能な設計法であるということです．図1に三次元空力設計のフローチャートを示します． Fig.1 三次元空力設計手法 フローチャート 図1に示すように，翼力を考慮した子午面粘性流れ解析過程および三次元逆解法翼設計過程から成る工程を翼形状が収束するまで行うことにより，流れ場に適合した翼型を抽出します． それでは以下に各過程の特徴について述べます． (a) 三次元逆解法翼設計過程 　三次元逆解法翼設計過程では，Zangenehにより提唱された三次元逆解法理論を基に翼形状を算出しています．この逆解法翼設計手法は，動翼入口の速度の非一様性を考慮可能であるというメリットを有しています．また，動翼列内部の圧力場と密接に関係する空力負荷分布(スパンおよびコード方向)が入力パラメータとなるので，動翼列内部の圧力場を詳細に制御することができます． 　しかしながら本理論はポテンシャル流れ理論に基づくものであり，端面境界層や流れのはく離といったものを直接考慮することができません． (b) 翼力を考慮した子午面粘性流れ解析過程 　翼力を考慮した子午面流れ解析過程では，三次元逆解法翼設計過程における入力値である動翼入口の非一様な速度分布を算出します．本解析は粘性解析であるので，三次元逆解法翼設計過程において考慮することができなかった端面境界層や流れのはく離などの影響を考慮した非一様な速度分布を算出することができます． 　本解析は動翼列近傍の流れが軸対称であると仮定した子午面解析です．翼作用は体積力として考慮することで，周方向に平均化された基礎方程式系の外力項に加えられます．また，非粘性の翼作用である翼間の圧力差を翼力としてモデル化していることから，翼力は翼キャンバに垂直に作用すると仮定します．そのことから，翼の三次元性を考慮した翼作用を子午面流れ解析に組み込んでいます．また本解析は，子午面解析であることから計算負荷が非常に軽く，設計問題に非常に有用です． 　また本三次元空力設計手法の特徴として，子午面流れ解析用の解析格子を各設計工程ごとに再作成する必要がないというものがあります．これは三次元逆解法翼設計過程において，翼の子午面における前縁および後縁ラインは不変という拘束条件があるためです．このことからも本三次元空力設計手法は流れ場の情報を設計に素早く取り込むことが可能な空力設計手法であることが言えます． ◎多段軸流ターボ機械の空力設計 多段のターボ機械になると，計算格子数が増加するのに加え，非定常翼列干渉の効果を厳密に評価するには非定常シミュレーションが必要になるため，計算負荷は劇的に増大する．したがって，設計に必要な翼列間の速度分布を子午面流れ解析によって高精度に予測できれば，多段ターボ機械の空力設計法が効率化されるだけでなく，その計算負荷の軽さから逆問題解法や遺伝的アルゴリズム等を用いた最適設計が可能となる． 　本研究では，軸対称流れを仮定した子午面流れ解析法をベースとして，多段軸流ターボ機械の空力設計手法を構築することを目的としている．本手法では，無限に薄い翼が無数に存在すると考え，翼が流体に及ぼす力を翼力（blade force）と呼ばれる仮想の体積力によって表現する．つまり，翼力は翼間に働く圧力勾配に相当する．従来の子午面流れ問題では粘性の影響を考慮することが難しいために非粘性で取り扱われることが多い．しかし，図に示すようにタービン段などの内部流れ場では大規模な渦や二次流れ，また剥離が発生して三次元流れとなっており，タービン段などの空力設計に本手法を適用するにあたっては粘性の影響を考慮することは必須である．したがって，子午面流れ問題について端壁近傍で発生する境界層を粘性解析によって表現し，漏れ流れや二次流れ，翼厚みによる排除効果などをモデル化して子午面流れ解析手法に組み込むことが本研究の課題である． ◎遠心ファンの革新的空力設計法の開発 多翼ファンに代表される遠心ファンは，羽根車の外径・回転速度が同一の軸流ファンに比べて，騒音が低いことから，空調用ファンとして広く使用されています．しかしながら，その空力設計は未だ一次元的理論に基づいており，高性能化に支障を来たしています．そこで，本研究では上記の三次元逆解法翼設計，翼力を考慮した子午面流れ解析を遠心ファンに適用しました．具体的には子午面流れ解析において，スクロール側壁面を流出境界とするモデル化，および翼力算出方法の改良を行うことで，遠心ファンの三次元空力設計法を構築しています．研究対象の遠心ファンは羽根車とスクロールが直接繋がっており，羽根車内の流れ場はスクロールに影響されます．スクロールはオウム貝のような形状をしており，非軸対象の流れ場となります．このことを設計段階で考慮することが今後の課題となります．