複雑内部流れの非定常三次元解析　
（回転翼列グループ）

空力騒音解析　
（空力騒音グループ）

遠心型ターボ機械の内部流動解析　
（遠心グループ）

革新的ターボ機械の空力設計　
（空力設計グループ）

風レンズ風車の開発　
（風レンズグループ）

複雑渦流れ場の実験解析　
（計測グループ）

　本研究グループでは
　「遠心型・斜流型ターボ機械の内部流動」
　に関する研究を行っています．

　ターボ機械（ターボ型流体機械）とは，翼表面の圧力を通じて機械的仕事と流体力学的エネルギーの授受を行う機械を指し，大きく軸流型・斜流型・遠心型の３通りに分けられます． （正確には横流型を加えた４通りですが，ここでは横流型の説明は省きます）

　これらのターボ機械は，それぞれ下記の特徴により類別されます．

　軸流型では羽根車(インペラー)の回転を介して流体に運動エネルギが与えられますが，遠心型・斜流型ではこれに，「インペラの回転に伴う遠心力による圧力上昇」が付け加わります． すなわち遠心型ターボ機械は，軸流に比べて多段化は困難であるものの（多段化により周方向に半径が広がるため），１段あたりの圧力比が高い特徴を有しています．

　そのため，軸方向に距離をとる事ができ，かつ大流量を必要とするジェットエンジン等では主に軸流型が用いられますが，逆に，空間的な制約のため小型化を要求される一方で，高圧が必要とされる車両用ターボチャージャー(右図２)等では遠心型が主に用いられています．

本研究グループでは，このような特徴を持つ遠心型・斜流型ターボ機械を対象として，企業との共同研究を行っています．

図２　遠心型と軸流型の特徴　（斜流型は両者の中間の特徴を持つ）

　現在，遠心型ターボ機械は様々な分野で使用され，その用途も拡大の一途をたどっています．
　特に，昨今では小型化・高圧化・高速化といった性能の向上が強く要求されており，わずかな性能向上が経済的に重要な意味を持つようになってきていると言えます．
　こういった性能向上の要求を満たすためには，設計時点から内部流れを把握し，これに基づいた定常および非定常の性能を予測することが非常に重要です．

　一方で，実際のターボ形流体機械は複雑な構造をしているため，詳細な測定（実験）を行うことは困難です．
　また流路の幾何学的形状や羽根車を構成する各要素の影響により，ある条件で得られた結果がその他のものに適応できるとは限りません．
　さらに，設計点以外で作動するときは，その内部流れは設計状態における流れとは異なったものとなります．特に流量が設計流量よりも小さい場合には羽根前縁から剥離が生じ，設計点での流れとはまったく違った流れになります．

　遠心型圧縮機おいては，運転範囲のほぼ全域が使用されるため，遠心圧縮機のワイドレンジ・高効率化には，剥離流れや, 流量の急激な変化,・急始動・急停止時など, 運転の状況が急変する場合の内部流れを把握することが重要です．

　このような理由から，ターボ機械の性能予測においては実験だけでなく，数値シュミレーションが有効な手段として用いられるようになっています．
　数値シミュレーション（ＣＦＤ解析）では，実験で捉えることが難しい流体の流れ構造（渦構造や，衝撃波など）を可視化することで，どこでどのような現象が生じているかが一目で理解することができます．
　また，実験とは異なり初期条件や種々の条件の変更が容易なため，あらゆる条件を試すことができるので，製品の開発段階におけるシミュレートが可能となります．

遠心型圧縮機の圧力流量特性
（Emmons,et al(1955)）

　下のグラフは，実験値と数値解析（CFD解析）の結果を比較したものです．
CFD解析は実験結果と全域でほぼ一致しており，現実の流れ場を精密に再現できているといえます．

　このことより，当研究室のCFD解析を用いると，「実際には測定困難な流動現象の把握も可能である」という事が分かります． また，解析対象の全域を計算しているため，実験では捕らえきれないような流れ場の詳細な様子の把握も可能です．

　上述の遠心圧縮機に関する研究のほか，以下に示すような斜流型の遷音速圧縮機についても，企業との共同研究で解析を行っています．

　以下に，遷音速斜流圧縮機羽根車の解析結果の可視化アニメーションの例を示しています．
　左図は翼面上の限界流線とその時の渦コアを示しており，右図は渦コアと流線の関係およびエネルギー損失の分布図を順に示しています．

　以下の解析結果についての詳細な説明は省略しますが，このようなビジュアルデータマイニング技術を駆使した解析を行っています．