成果報告書詳細
管理番号20140000000053
タイトル平成22年度-平成24年度成果報告書 省エネルギー革新技術開発事業 先導研究 動的流れ場に対するプラズマ気流制御最適化の研究開発
公開日2014/8/21
報告書年度2010 - 2012
委託先名株式会社東芝 独立行政法人宇宙航空研究開発機構
プロジェクト番号P09015
部署名省エネルギー部
和文要約本研究開発の目的は、流体機械や移動体等、変動する流れ場で使用される幅広い流体機器に対し、空力特性の向上により飛躍的な省エネルギーを達成するために、プラズマ気流制御の要素技術を開発することである。プラズマ気流制御技術は、物体表面にプラズマを形成しプラズマ誘起流を発生させて流れの境界層に影響を与えることで、剥離抑制等の流れ制御が可能な技術であり、従来の流体制御技術では達成できなかった飛躍的な効率向上を実現できる可能性がある。しかしこれまでの研究開発の多くは、静的な流れ場での適用を念頭に置いたものであった。本研究では、動的な流れ場に対するプラズマ気流制御の最適制御手法と、実機使用環境を想定した電源・電極の装置化や実装技術の開発を行い、以下の各研究項目において成果をあげた。(1)プラズマ誘起流の制御技術開発(担当:株式会社東芝):平板状電極を用いた誘起流計測実験や、国立大学法人東京大学との共同実施によるプラズマ発光計測実験で、プラズマ誘起流の発生メカニズムを解明し、重要支配因子を抽出した。また、公立大学法人首都大学東京との共同実施によりバリア放電のシミュレーションを実施し、誘起流計測実験との整合性を確認することで、プラズマ誘起流を自在に制御する手法を確立した。(2)動的流れ場の最適制御技術開発(担当:宇宙航空研究開発機構):2次元翼動的失速流れ場を模擬するため2次元振動翼模型を製作し、プラズマによる揚力増加率10%以上を実証した。揚力改善効果はストローハル数(St)と強い相関があることがわかった。さらに、PIV (Particle Image Velocimetry)により流れ場を可視化し、プラズマによって発生する渦によって揚力が向上することを明らかにした。次に、プラズマ気流制御を3次元翼応用モデルに適用し、プラズマの効果をJAXA大型低速風洞で実証した。2次元翼と同様、トルク改善効果はStと相関があり、試験条件によっては、軸トルク増加率30%以上を達成した。高速度カメラを用いたタフト計測や、感圧塗料(PSP:Pressure-Sensitive Paint)による翼面圧力場の計測を行い、制御効果を確認した。さらに、CFD(Computational Fluid Dynamics)と風洞実験から2次元翼揚力向上のスケール効果を調べ、CFDと実験結果が定性的に一致することを明らかにした。(3)実機形状への適用技術開発(担当:株式会社東芝):変動する流れ場で使用される幅広い流体機器の中から、適用検討先として風車を選定し、実機形状へのプラズマ適用の基本仕様を決定した。翼にプラズマ電極を搭載した小型風車風洞モデルでの風洞実験や、三重大学との共同実施による30kW風車フィールド試験により、プラズマにより風車の出力向上が可能であることを世界で初めて検証した。翼素モデル解析により、MWクラスの実機においても出力向上が可能なことを予測した。また、放電電極を設置することによる風車ブレードへの雷放電率への有意な影響がないことを実証した。(4)実用電源・電極の装置化開発(担当:株式会社東芝):風車実機使用環境を想定して電源・電極の基本仕様を決定して試作した。電極材料の耐久性試験を実施し、次ステップの実機検証試験を実施するために必要な、1年以上の耐久性を有することを明らかにした。
英文要約In order to develop plasma-flow-control technology in dynamically changing flow conditions, wide-ranging experimental research and numerical simulation research were carried out by The University of Tokyo, Tokyo Metropolitan University, Mie University, Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) and TOSHIBA. TOSHIBA has planned and conducted the whole research as shown below. Characteristics of induced flow accompanied with surface discharge were investigated by TOSHIBA using a dielectric-barrier discharge electrode mounted on a flat plate. Characteristics of streamer propagating in the surface discharge were investigated by The University of Tokyo using a high speed camera. Numerical simulations of the surface discharge were conducted by Tokyo Metropolitan University. It was found that both dielectric constant of dielectric and waveform of applied voltage were the key parameters which control efficiency of the induced flow. Lift enhancement mechanism by the plasma-flow-control for leading-edge flow separation on periodically oscillated NACA 0012 airfoil was investigated by JAXA. The lift enhancement by plasma actuation achieved more than 10% at optimum pulse modulation frequency. The time-resolved PIV (Particle Image Velocimetry) measurement was also conducted to understand the flow control mechanism by the plasma actuation. The clear vortices appeared at the leading-edge at high angle of attack, and moved along the airfoil surface toward trailing edge. These vortices bring entrainment of main flow and the lift enhancement of the oscillating airfoil can be achieved. Next, the same plasma actuated airfoil was mounted on the horizontal axis wind turbine to investigate the plasma effect. The axial torque was improved up to approximately 30% depended on the modulation frequency. The flowfields visualized by the tuft and pressure-sensitive paint indicated that plasma actuators effectively controlled the flowfield of the wind turbine and improved the power performance. Furthermore, a scale effect of the NACA0012 airfoil for lift improvement was investigated from CFD (Computational Fluid Dynamics) and wind tunnel experiments. Those results showed that experimental results agreed with CFD qualitatively. In order to investigate an aerodynamic effect of the plasma-flow-control for improving wind turbine performance, wind tunnel experiments using a small wind turbine and the world first field test were conducted by TOSHIBA. Mie University’s 30kW horizontal axis wind turbine with a 10m in diameter was used as a test turbine. The rotor torque and averaged power generation were both increased by the plasma effect. The plasma effect for MW-class commercial wind turbine was estimated by analysis using a wind-element model. Investigations for improving discharge electrodes and power source were also conducted by TOSHIBA. Proto-type equipment was manufactured and durability of them was evaluated considering the actual wind turbine environment.
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