** Arizona State Univ. William S. SARIC ** Arizona State Univ. Jon A. HOOS *** NASA Ames Research Center Sanford S. DAVIS Boundary-Layer Receptivity to Freestream Sound (Effect of Two-Dimensional Roughness) Yasuaki KOHAMA * Institute of Fluid Science, Tohoku University William S. SARIC and Jon A. HOOS Arizona State University Sanford S. DAVIS NASA Ames Reseach Center (Received 20 August, 1993; in revised form 9 November, 1993) An experimental study to examine the receptivity of a laminar boundary layer to an acoustical disturbance is conducted. The response of the forced oscillations of a Blasius boundary layer over a flat plate model caused by an acoustical disturbance is investigated for frequencies of 70Hz-85Hz. The most important aspect of the present investigation is to determine the behaviour of the disturbance in the boundary layer caused by the receptivity mechanism, and document accurately the acoustical forcing field. First, the effect of leading edge geometry was examined using two different elliptical profiles. After examined favorable leading edge geometry to the receptivity mechanism, a thin two-dimensional roughness strip is placed across the span of the plate. Such experimental condition provided a receptivity mechanism together with acoustical forcing by a loudspeaker. The measured disturbance profile corresponded to the T-S wave amplitude predicted by linear stability theory. The phase distribution and the wavelength of the disturbance are also in good agreement with predicted values. (KEY WORDS): Boundary-Layer Transition, Drag Reduction, Laminar Flow Control, Receptivity ** Tempe AZ 85287. USA *** Moffettfield CA 94035. USA
41 小濱 泰昭 の周 波 数 が 一 致 す れ ば こ の小 さな 剥 離 領 域 に非 定 常 性 が 加 味 さ れ て エ ネ ル ギ ー の 受 け 渡 しが 極 め て 行 い 易 い 状 況(受 容 係 数 の 高 い 状 態)が 生 じる も の と推 測 さ れ る. 以 上の こ と を 考 え る と 平 板 上に 二次 元 粗 度 が 存 在 す る 場 合 の 境 界 層 の 音 に 対 す る受 容 性 を 調 べ る た め に は,前 な わ ち,前 3.2 (a)音 を 供 給 しな い場 合 縁 領 域 の 音 に 対 す る 弱 い 受 容 性(す 縁 で は 受 容 さ れ な い)が 要 求 さ れ る. 前縁 における受容性 文 献15)に よ れ ば,前 の 縦 横 比 が24:1の 縁 の 断 面 が 半 楕 円 形 で,そ 形 状 で あ れ ば 同 じ条 件 の 実 験 で境 界層 の 音に 対 す る受 容 性 は無 い こ とが 示 さ れ て い る が,こ (b)音 を供 給 した場 合 の 事 実 を 再 確 認 す る 意 味 も あ り,2 種 類 の 前 縁 形 状 に つ い て 測 定 を 行 っ た,先 図4ス ず,図 モ ー ク ワ イ ヤ に よ る 流 れ の 可 視 化(U= 11.5m/s,ワ イ ヤ 径d=0.1mm粗 度 有 り) 1(a)に 示 し た 装 置 で 前 縁 の 受 容 性 を 調 べ た 結 果 を 示 す.図3はx=53mm,y=1.5mmに 固かれ た に よ り 可 視 化 した 主 流 と 境 界 層 内 の 流 れ の 様 子 を 熱 線 プ ロー ブに よ って 検 出 さ れ た速 度 変 動 波 形 で 示 す.ワ あ る.(a)は ズ 数 は1以 態,(b)は 二次 元 粗 度 と し て の テ ー プ を 貼 っ た 状 テ ー プ が 無 い 状 態 で,上 給 し な い 場 合,下 の信 号が 音 を供 の 信 号 が97Hzの 音を 供 給 して い る 場 合 で あ る 下の 信 号 を み る と,い 号 もT-S波 ず れ の信 に 対 応 す る 変 動 が ほ ぼ 同 じ人 き さ で 存 在 し て い る こ と が わ か る.と い う こ と は,音 す で に 上流 に お い て 受 容 さ れ,T-S波 が と な って そ れ 以 降 下流 に 流 下 して い る こ と を 示 す.主 流中 に イ ヤ の 直 径 を代 表 寸 法 に と っ た レイ ノル 下 で あ り,ワ は 発 生 せ ず,従 イ ヤ後 流 に は カ ル マ ン渦 っ て ワ イ ヤ 自 身 に よ るT-S波 の発 生 は 無 い も の 判 断 で き る.さ ら に,ワ 面 に 垂 直 に 置 か れ て お り,境 界層 に対 して ほ とん ど 影 響 を 与 え な い.煙 な い の で,こ な い.(a)図 イ ヤ は平 板 は 十分 境 界 層 中 に 入 っ て い の 写 真 か らは定 性 的 な 判 断 しか で き は 音 を 供 給 し な い 場 合 で あ り,変 ほ と ん ど 存 在 して い な い が,(b)図 に はT-S波 動 は に対 置 い た熱 線 プ ロ ー ブか らの波 形 は ほ とん ど変 化 せ 応 す る 攪 乱 が 存 在 し て い る こ と が 視 認 で き る. ず,図3(a),(b)そ テ ー プ の 位 置 も 平 板 上 右 方 向 に 視 認 で き る. れ ぞ れ の 上の 波 形 の よ う に な っ て い る こ と か ら も,境 界 層 中 に特 有 の 運 動 が 存 在 し て い る こ と が わ か る.図4に スモ ー ク ワ イ ヤ法 3.3 二 次 元 粗 度 にお け る 受 容 性 以 上の 結 果 か ら 本 実 験 に 用 い た6:1の 楕 円形 状 の 前 縁 は 音 に 対 す る 受 容 性 が や は り大 で あ り, 二次 元 粗 度 に対 す る受 容 性 を調 べ る上 で は ふ さわ し く な い こ と が わ か っ た.そ 装 置 で は 長 楕 円 形 状67:1を (a)粗 度 無 し 形 状 は 文 献15で り,従 こ で 図1(b)に 示 した 採 用 し た.こ の前縁 用 い た 形 状 よ り更 に 長 楕 円 で あ って 音に 対 して受 容 性 を 示 さ な い もの と思 わ れ る. 図1(b)に =2.4mの 示 し た 平 板 の 境 界 層 遷 移 に つ い て,x 位 置 にHot Filmを れ た 乱 れ 強 さ分 布 を 図5に (b)粗 度 有 り 図3 速 度 変 動 波 形(U=11.5m/s,x=53cm,f= 97Hz,上 の 波 形 は 音 を 供 給 し な い 場 合) そRe=2.87 106で 設 置 し た と き得 ら 示 す.乱 流遷移 はお よ あ る こ と が わ か る.ス ピー カ ーハ ウ ジ ングが 測 定 部 の流 れ に ど の よ うな 影 響 を 示 す の か を 調 べ る た め に,ス ピー カ ー ハ ウ ジ ン
1) H. Schlichting: Boundary-Layer Theory, 7th. Ed., (McGraw-Hill, 1978) 449-554. 2) G. B. Schubauer & H. K. Skramstad: NACA TR, NO. 909 (1948). 3) P. S. Klebanoff, K. D. Tidstrom & L. M. Sargent: J. Fluid Mech. 12(1962) 1-34. 4) I. Tani: Phys. of Fluids Suppl. 10(1967) 11-16. 5) W. S. Saric & A. H. Neyfeh: Phys. Fluids 18(1975) 945-950. 7) H. A. Strub: Abs. Intern. Aero. Sympo. Nagoya, (1989) 78-84. 8) M. V. Morkovin: AFFDL-TR-68-149, Air Force Flight Dynamics Lab., Wright-Patterson AFB, Ohio, (1969). 9) M. Nishioka & M. V. Morkovin: J. Fluid Mech. 171 (1986) 219-261. 10) M. E. Goldstein & L. S. Hultgren: J. Fluid Mech. 181 (1987) 519-525. 11) N. G. Ball: Univ. of Toronto Inst. for Aero. Studies Rep. No. 321 (1987). 12) R. A. Heinrich, M. Choudhari & E. Kerschen: AIAA Paper 88-3758-CP (1988). 13) S. Taneda: J. Phys. Soc. Japan 46 (1979) 1935-1942. 14) W. S. Saric & T. K. Krutchoff: Bull. Amer. Phys. Soc. (1990) 2262. 15) R. W. Wleizen, D. E. Parekh & T. C. Island: Appl. Mech. Rev. 43 (1990) S167-S174. 16) W. S. Saric, J. A. Hoos & R. H. Radeztsky: ASME, FED-114 (1990) 17-22.