[論文レビュー] Megahertz Schlieren Imaging of Shock Structure and Sound Waves in Under-Expanded, Impinging Jets

Christian Willert, Daniel Edgington-Mitchell+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2010

Aerodynamics and Acoustics in Jet Flows参考文献 6被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、パルス型高出力LED光源を用いて、圧縮比が低い、衝突するジェットのメガヘルツレートのシュレーレン像を提示する。この手法により、最大1 MHzのフレームレートで、衝撃波構造および音波の時間分解能による可視化が可能になった。この方法により、低圧縮比（2.0–2.5）ではヘリカルジェット不安定性が、高圧縮比（3.0–5.0）ではマッハディスクの形成が観察され、ジェット構造に連動した非対称な音響放射も明らかになった。イットロンフラッシュやレーザー光源と比較して、優れた画像品質と再現性を示した。

ABSTRACT

The accompanying fluid dynamics videos visualize the temporal evolution of shock structures and sound waves in and around an under-expanded jet that is impinging on a rigid surface at varying pressure ratios. The recordings were obtained at frame rates of 500 kHz to 1 Mhz using a novel pulsed illumination source based on a high power light emitting diode (LED) which is operated in pulsed current mode synchronized to the camera frame rate.

研究の動機と目的

• 圧縮比が低い、衝突するジェット内の不規則な衝撃波構造および音波の高時空間分解能可視化を可能にすること。
• 従来のキセノンフラッシュやレーザー照明の限界を克服し、シュレーレン像に適した高繰り返しレート、安定的かつスペックローのない光源の開発に向けた研究。
• ノズル圧縮比（2.0–5.0）が、衝突流におけるジェット構造、衝撃波ダイナミクス、音響波放射に与える影響を調査すること。
• 画像品質、再現性、時間分解能の観点から、パルス型高出力LEDが従来の光源（キセノンフラッシュやレーザー）と比較して果たす性能を評価すること。
• ジェット不安定モード（例：ヘリカル運動）と衝突する超音速ジェットにおける非対称音響放射との関係を分析すること。

提案手法

• 最大120 Aのパルス出力、500 nsパルス幅、200 nsリセット時間で動作する高出力パルスLED（Luminus Phlatlight CBT-120、緑色）をバーストモードで駆動し、有効な光パルスを約300 nsで得た。
• 高感度カメラ（Shimadzu HPV-1、312×260ピクセル）と同期させ、500 kHz～1 MHzのフレームレートでストロボ的イメージングを実施した。
• 単一のミラーとナイフエッジを用いた従来のシュレーレン光学系を採用し、ほぼ単色の緑色光で照射することで、スペックローを低減しコントラストを向上させた。
• 静的特徴（例：ミラーの欠損）を抑制し、不規則な流れ構造を強調するために、各フレームから平均画像を差し引くことでコントラスト強化を実施した。
• ノズル径D = 5 mm、固定された板距離x/D = 4の条件下で、ノズル圧縮比2.0、2.5、3.0、5.0の4つのシーケンスを撮影した。
• 時間的忠実性を保持したまま、特徴の可視性を向上させるために、偽彩色処理とコントラスト強化を施した可視化画像を生成した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ノズル圧縮比2.0～5.0の範囲で、圧縮比が低いジェットが平板に衝突する際、衝撃波構造および不規則な不安定性はどのように変化するか？
• RQ2 ジェットのヘリカル不安定性が、衝突時に非対称な音響放射を生成する役割を果たすか？
• RQ3 シュレーレン像において、スペックロー低減、時間分解能、画像品質という観点から、パルス型高出力LEDはキセノンフラッシュやレーザー光源と比較してどのように優れているか？
• RQ4 マッハディスク形成が顕著になる圧縮比は何か？また、その形成が下流の乱流および音波伝播に与える影響は？
• RQ5 ジェットの構造的対称性（例：ヘリカル対対称）が、放射音波の指向性および強度に与える影響は？

主な発見

• ノズル圧縮比2.0および2.5では、ジェット出口付近の弱い衝撃波が回転運動を示し、ジェットコアにおけるヘリカル不安定モードの存在を示した。
• すべての圧縮比で、ジェット境界面に明確なシアー層不安定性が観察された。圧縮比が高くなる（3.0および5.0）ほど、シアー層の湾曲が顕著になった。
• 圧縮比≥3.0では、ジェットコアにマッハディスクが形成された。衝撃波の位置と間隔は圧縮比に比例して増加し、高圧縮比領域では回転運動は観察されなかった。
• マッハディスクの縁回りにスリップラインが形成され、内部のシアー層が発生し、その直後に乱流強度が上昇した。
• 圧縮比2.0および2.5では、非対称な音響波放射が観察され、ヘリカルジェット構造と板への非対称な衝突と相関した。
• 高圧縮比（3.0および5.0）では、音響放射パターンがより対称的となり、より安定した軸対称ジェット構造およびマッハディスク形成と整合した。