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しほこみねむら
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1 2013 年 3 月 1 日第 3 回 MSBS 研究会アーチェリー矢の空力特性 MSBS 風洞実験と飛翔実験電気通信大学大学院宮嵜武 JAXA 杉浦裕樹

2 円柱境界層理論解 ( 境界層近似 ): 円柱側面の境界層 ( べき級数解 ) Seban & Bond (1951) J. Aero. Sci. 18 先端部べき級数解 Kelly (1954) J. Aero. Sci. 21 修正版べき級数解 Stewartson (1955) Q. Appl. Math. 13 Far downstream のべき級数解 Glavert & Lighthill (1955) Proc. R. Soc. London ser.a 全領域のべき級数解線形安定性 Morris & Byon (1982) Kao & Chow (1990) AIAA Pap. Non rotating J. Spacecr. Rockets 28 Rotating Tutty et al. (2002) Phys. Fluids 14(2) Non rotating, 平行流近似非軸対称モードが臨界 Re 数を決定 Herrade et al. (2008) Phys. Fluids 20 Rotating, 非平行流, PSE

3 流体力学的な関連研究佐藤明 & 高山和喜 (1999) 計測と制御 38(4) 二重露光オーログラフィー干渉写真法和弓矢の側面乱流境界層 J. L. Park (2011) 水槽実験. では先端から乱流 Tutty et al. (2002) 不安定モードの成長率. )

4 矢の飛翔の複雑さ実際の飛翔を再現した研究は行われていない. 軸回りに回転回転支持具の存在が測定精度を劣化させる軸方向に沿ったたわみ振動支持具たわみ振動支持具のない 2 種類の実験方法で矢の飛翔を再現

5 磁力支持天秤装置 (MSBS) を用いた風洞実験矢軸内部に Nd 磁石挿入電磁石の磁力で矢を浮遊 + 姿勢制御支持干渉のないデータ通風時のバランス電流 - 無風時のバランス電流矢に作用する力

6 圧縮空気による発射発射圧力自在に変更幅広い Re 数領域での測定可能矢発射装置的高速ビデオカメラ映像から速度減衰率を求め,CD 算出算出方法の詳細鈴木ら (2010) 参照国立スポーツ科学センター (JISS)

シャフト矢鏃 + シャフト + 矢羽直径 [m] A/C/E (Easton 社 ) 6.00.E 03 5.50.E 03 5.00.E 03 4.50.E 03 4.00.E 03 A/C/E 実寸 3.50.E 03 3.00.E 03 0.

7 シャフト矢鏃 + シャフト + 矢羽直径 [m] A/C/E (Easton 社 ) 6.00.E E E E E 03 A/C/E 実寸 3.50.E E E E E E E 01 先端からの位置 [m] 樽型形状全長 [m] 直径 ( 平均 )[m] アスペクト比

8 鏃と矢羽鏃矢羽椎型流線形面積 [m 2 ] SPIN GAS 上 :Spin Wing Vane 下 :GASPRO

9 風洞実験における矢羽の回転 SPIN WING VANE GAS PROは回転しなかった

10 風洞実験結果 CD Re 数 ( 代表長さ : 直径 ) 矢羽による抵抗の増加段差

11 風洞実験結果迎角抗力係数 CD 矢羽の有無に関わらず迎角 =±0.5 で境界層は乱流遷移?

12 風洞実験結果迎角揚力係数 CL 矢羽あり矢羽なし揚力は矢羽の影響大

13 風洞実験結果迎角縦揺れモーメント係数 Cm 矢羽なし矢羽あり矢羽による姿勢安定性の向上

14 飛翔実験との比較 CD Re 数 ( 鏃 : 椎型 ) 二値化

15 飛翔実験との比較 CD Re 数 ( 鏃 : 流線形 ) 二値化

16 飛翔実験との比較 CD Re 数迎角がついた時は, 乱流遷移

17 飛翔実験との比較 CD Re 数

18 飛翔実験との比較 CD Re 数 GASPROの方が姿勢安定が良い GASPROは無回転状態風洞実験との差異 Cmが高い

19 たわみ振動を伴う飛翔実験ロボットを製作競技者が行う一連の動作を再現たわみ振動する矢の発射実際の競技者

20 たわみ振動を伴う飛翔実験

21 可視化実験固定支持矢の回転後流への影響

22 可視化実験 ( 支持具の影響 ) 支持具有り ( Re = , v = 2.13 [m/s] ) 支持具無し ( Re = , v = 2.14 [m/s] ) 支持具の存在で, 後流の乱れ

23 可視化実験 ( 回転の影響 ) 回転無し ( Re = , v = 13.6 [m/s] ) 回転有り ( Re = , v = 13.6 [m/s] ) 渦間隔 mm CD 値 : 2.52 渦間隔 mm CD 値 : 3.14 矢の回転渦間隔の減少抗力係数の増加

24 結言風洞実験と飛翔実験には整合性がある. : 境界層は層流. : 遷移領域粗度 ( マーカー段差 ) による乱流化鏃形状による乱流化姿勢乱れによる乱流化 GAS PRO の方が姿勢安定効果が高い

25 MSBS 風洞への期待非定常空力特性の測定位置姿勢の計測と制御 6 軸加速度センサーの併用流れ場 PIV 計測

26 ご清聴頂き有難うございました謝辞 : 実験施設道具をご提供して頂いた宇宙航空研究開発機構 (JAXA), 国立スポーツ科学センター (JISS) に深く感謝いたします

30 回転数と距離

31 飛翔実験との比較 CD Re 数 ( 鏃 : 椎型 )

32 飛翔実験との比較 CD Re 数 ( 鏃 : 流線形 )

41 緒言矢の最適な空力形状アーチェリー競技における競技力の向上科学技術の発展で発射性能は向上得点 UP 飛翔中の矢回転運動, たわみ振動たわみ振動がないとして風洞実験固定支持部の影響が大きい矢に対しては, 固定支持がない実験で測定

42 結言 A/C/E 矢の風洞実験 ( SPIN WING VANE の場合 ) 鏃形状に関わらず境界層は層流矢羽揚力 + 姿勢安定効果 A/C/E 矢の飛翔実験 ( SPIN WING VANE の場合 ) 椎型境界層はほぼ乱流 ( ふた山分布も ) 安定境界層は層流流線形姿勢不安定境界層は乱流たわみ振動境界層を乱流化する A/C/E 矢の飛翔実験 ( GASPRO の場合 ) 鏃形状に関わらず境界層は層流 SPIN WING VANEよりも姿勢安定効果が高い

43 CD Re 数 CD ReD A/C/E(MSBS),no vane,bullet A/C/E(MSBS),Bullet A/C/E(Machine),Bullet A/C/E(Human),Bullet A/C/E(MSBS),no vane,stream A/C/E(MSBS),Stream A/C/E(Machine),Stream Seban Bond Kelly(A/C/E)

CD CD Re 数 ( アーチェリー矢クロスボウ矢 ) 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.

44 CD CD Re 数 ( アーチェリー矢クロスボウ矢 ) ReD A/C/E(MSBS),no vane,bullet A/C/E(MSBS),Bullet A/C/E(Machine),Bullet A/C/E(Human),Bullet A/C/E(MSBS),no vane,stream A/C/E(MSBS),Stream A/C/E(Machine),Stream Seban Bond Kelly(A/C/E) crossbow(msbs),bullet crossbow(msbs),stream crossbow(msbs),bluff アーチェリー矢アスペクト比クロスボウ矢

45 流体力学的な関連研究べき級数解を用いた理論解( 境界層近似 ) : 円柱側面の境界層 Seban & Bond (1951) ( 先端部 ) J. Aero. Sci. 18, 671 Kelly (1954) ( 修正版 ) J. Aero. Sci. 21, 634 Stewartson (1955) (Far downstream) Q. Appl. Math. 13, 113 Glavert & Lighthill (1955) ( 全領域 ) Proc. R. Soc. London ser.a230,188 線形安定性 Tutty et al. (2002) Phys. Fluids 14(2), (Non rotating, 平行流近似 ) Herrade et al. (2008) Phys. Fluids 20, (1 11) (Rotating, 非平行流, PSE) 実験佐藤明 & 高山和喜 (1999) 計測と制御 38(4), 二重露光オーログラフィー干渉写真法和弓の矢の側面乱流境界層鈴木一史等 (2010) ながれ 29(4), クロスボウ矢の抗力係数 CDに対する先端形状の影響

46 クロスボウ矢の抗力係数 CD に対する先端形状の影響鈴木ら : ながれ 29(2010)

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Microsoft PowerPoint - Š’Š¬“H−w†i…„…C…m…‰…Y’ﬂ†j.ppt 乱流とは? 不規則運動であり, 速度の時空間的な変化が複雑であり, 個々の測定結果にはまったく再現性がなく, 偶然の値である. 渦運動 3 次元流れ非定常流乱流は確率過程 (Stochastic Process) である. 乱流工学 1 レイノルズの実験 UD = = ν 慣性力粘性力乱流工学 F レイノルズ数 U L / U 3 = mα = ρl = ρ 慣性力 L U u U A = µ