(57)【要約】【課題】高温の主流（超音速流）とフィルム冷却用の低温流の混合を阻害し、超音速剪断層の発達を抑制することができ、これにより、冷却空気量を増やしたり、ライナー材質の耐熱性を高めたりすることなく、被冷却部材を保護することができる超音速流れの混合制御方法を提供する。【解決手段】少なくとも流れの１つが超音速流である２つの流れ１、２が混合を開始する箇所に、２つの流れの境界面に直交する流速成分を有する３次元の縦渦５を形成する縦渦形成手段１０を設置し、これにより３次元的な乱れを形成し、その下流で発生する２次元大規模構造渦４の発生を初期段階で阻害することで、剪断層３の発達を抑制する。【選択図】　　　図１
2004019510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも流れの１つが超音速流である２つの流れ（１、２）が混合を開始する箇所に、２つの流れの境界面に直交する流速成分を有する３次元の縦渦（５）を形成する縦渦形成手段（１０）を設置し、これにより３次元的な乱れを形成し、その下流で発生する２次元大規模構造渦（４）の発生を初期段階で阻害することで、剪断層（３）の発達を抑制する、ことを特徴とする超音速流れの混合制御方法。
【請求項２】
前記縦渦形成手段（１０）は、少なくとも流れの１つが超音速流である２つの流れ（１、２）による境界層の厚さより少なくとも小さい突起物である、ことを特徴とする請求項１に記載の超音速流れの混合制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超音速流れの混合制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図３は、２つの超音速流れ１、２が平行に合流する状態を模式的に示している。この例において、超音速流れ１はマッハ数Ｍ１、流速Ｕ１、密度ρ１であり、超音速流れ２はマッハ数Ｍ２、流速Ｕ２、密度ρ２である。
両者が混合する混合層の対流速度をＣｒとするとき、（Ｕ１−Ｃｒ）／ａ１、及び（Ｕｃ−Ｕ２）／ａ２を超音速流れ１、２の対流マッハ数と呼ぶ。ここでａ１，ａ２は超音速流れ１、２の音速である。
【０００３】
２つの流れの間の混合層の発達速度は、非圧縮流体の場合、一定であるが、圧縮流体の場合には対流マッハ数の増加により急速に低減し、超音速対流マッハ数では約０．２に漸近する。
超音速流と他の流れとの間に対流剪断層は、非非圧縮流体の場合よりもゆっくりと広がる。また、超音速剪断層３は安定であり、亜音速剪断層よりもよりゆっくりと混合する。
２つの圧縮流の対流剪断層では、圧縮性の影響は、密度比ばかりでなく、速度比にも影響する。
【０００４】
なおかかる２つの超音速流れ１、２の対流剪断層（超音速剪断層３）に関しては、例えば、以下の文献等に開示されている。
（１）　”Ｔｈｅ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｂｌｅ　ｔｕｒｂｕｌｅｎｔ　ｓｈｅａｒ　ｌａｙｅｒ”，　Ｊ．Ｆｌｕｉｄ　Ｍｅｃｈ．（１９８８），　ｖｏｌ．１９７，　ｐｐ．４５３−４７７
（２）　”Ｔｗｏ−　　ａｎｄ　ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｔｉｏｎａｌ　ｅｆｆｅｃｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｓｕｐｅｒｓｏｎｉｃ　ｍｉｘｉｎｇ　ｌａｙｅｒ”，　ＡＩＡＡ／ＳＡＥ／ＡＳＭＥ／ＡＳＥＥ　　２６ｔｈ　　Ｊｏｉｎｔ　　Ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ　　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　Ｊｕｌｙ　１６−１８，　１９９０
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ジェットエンジンの排気ノズルのフィルム冷却や、エジェクタを利用した超音速機用排気ノズルのフィルム冷却においては、被冷却部材を保護するために、高温の主流とフィルム冷却用の低温流が混合されないことが重要である。しかし、このような流れの対流マッハ数は比較的小さいため、２つの流れが形成する混合層内に、２次元大規模構造渦４が混合層（超音速剪断層３）に発生し混合が促進されてしまう問題点があった。
この問題を解決するため、（１）冷却空気量を増やす、（２）ライナー材質の耐熱性を高める、などの対策が従来とられているが、その分、エンジン全体の性能が低下し、かつコスト高となる問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明は、高温の主流（超音速流）とフィルム冷却用の低温流の混合を阻害し、超音速剪断層の発達を抑制することができ、これにより、冷却空気量を増やしたり、ライナー材質の耐熱性を高めたりすることなく、被冷却部材を保護することができる超音速流れの混合制御方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
２つの超音速流れが合流する超音速剪断層では、上述した対流マッハ数が上昇するにつれ、低対流マッハ数の場合に現れる２次元大規模構造渦（４）が圧縮性の影響で、この渦構造が崩壊し、混合が極端に悪くなることが知られている。
本発明はこの物理現象に着目し、混合の初期段階で、この渦の成長を阻害するものを取付けることで、意図的にこの２次元大規模構造渦（４）を崩壊させることにより、２つの流れの混合を抑制するものである。
【０００８】
すなわち本発明によれば、２つの超音速流れ（１、２）が混合を開始する箇所に、２つの超音速流れの境界面に直交する流速成分を有する３次元の縦渦（５）を形成する縦渦形成手段（１０）を設置し、これにより３次元的な乱れを形成し、その下流で発生する２次元大規模構造渦（４）の発生を初期段階で阻害することで、超音速剪断層（３）の発達を抑制する、ことを特徴とする超音速流れの混合制御方法が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記縦渦形成手段（１０）は、２つの超音速流れ（１、２）による境界層の厚さより少なくとも小さい突起物である。
【００１０】
上記本発明の構成によれば、２つの超音速流れ（１、２）が混合を開始する箇所に設けられた縦渦形成手段（１０）、例えば、突起物により発生する３次元的な乱れ（５）により、下流で発生する２次元大規模構造渦（４）の発生を、初期段階で阻害することで、超音速剪断層の発達を抑え、２つの流れの混合を抑制することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１２】
図１は、本発明の超音速流れの混合制御方法の模式的斜視図である。この図において、１は超音速高温流、２は超音速低温流である。超音速高温流１は例えばジェットエンジンの高温排気、超音速低温流２は冷却用空気であり、隔壁６の端部から互いに平行に流れながら混合するようになっている。
隔壁６の端部の下流側には、２つの超音速流れ１、２が合流する超音速剪断層３が形成される。
【００１３】
図１において、本発明の方法では、２つの超音速流れ１、２が混合を開始する箇所、すなわち隔壁６の端部（エッジ部）に、２つの超音速流れの境界面に直交する流速成分を有する３次元の縦渦５を形成する縦渦形成手段１０を設置する。
【００１４】
この縦渦形成手段１０は、２つの超音速流れ１、２による境界層の厚さより少なくとも小さい突起物であるのがよい。突起物の高さが境界層の厚さを超えると、２つの超音速流れ１、２に乱れを与えてかえって混合を促進するおそれがある。また低すぎて粘性境界層より低い場合には、縦渦５の効果が小さすぎるおそれがある。従って、十分な効果の縦渦５を発生できる限りで、突起物は多数設けるのがよい。
【００１５】
また、突起物１０の形状は、３次元の縦渦５を形成できる限りで、板状、斜面、ピラミッド状、その他であってもよい。
【００１６】
図２は、本発明の方法によるフィルム冷却の模式的図である。この例において、７は排気ノズル等の被冷却部材、１は例えばジェットエンジンの高温排気、２は冷却用空気であり、被冷却部材７に設けられた噴射口７ａから斜め又は被冷却部材７に沿って冷却用空気２を吹き出し、被冷却部材７の表面を冷却用空気２で覆いながら互いに平行に流れるようになっている。
噴射口７ａの下流側には、２つの超音速流れ１、２が合流する超音速剪断層３が形成される。
【００１７】
図２において、本発明の方法では、２つの超音速流れ１、２が混合を開始する箇所、すなわち噴射口７ａ近傍の上流側又は下流側の被冷却部材７の表面に、２つの超音速流れの境界面に直交する流速成分を有する３次元の縦渦５を形成する縦渦形成手段１０を設置する。また必要により噴射口７ａの内面に同様の縦渦形成手段１０を設けてもよい。
【００１８】
この縦渦形成手段１０は、図１と同様に２つの超音速流れ１、２による境界層の厚さより少なくとも小さい突起物であるのがよい。突起物の高さが境界層の厚さを超えると、２つの超音速流れ１、２に乱れを与えてかえって混合を促進するおそれがある。従って、十分な効果の縦渦５を発生できる限りで、突起物は多数設けるのがよい。
【００１９】
２つの超音速流れが合流する超音速剪断層３では、対流マッハ数が上昇するにつれ、低対流マッハ数の場合に現れる２次元大規模構造渦４が圧縮性の影響で、この渦構造が崩壊し、混合が極端に悪くなることが知られている。
【００２０】
従って、本発明の構成によれば、２つの超音速流れ１、２が混合を開始する箇所に設けられた縦渦形成手段１０、例えば、突起物により発生する３次元的な乱れ５により、下流で発生する２次元大規模構造渦４の発生を、初期段階で阻害することで、混合層（超音速剪断層３）の発達を抑え、２つの流れの混合を抑制することができる。
【００２１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００２２】
【発明の効果】
上述したように、本発明の超音速流れの混合制御方法は、高温の主流（超音速流）とフィルム冷却用の低温流の混合を阻害し、超音速剪断層の発達を抑制することができ、これにより、冷却空気量を増やしたり、ライナー材質の耐熱性を高めたりすることなく、被冷却部材を保護することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超音速流れの混合制御方法の模式的斜視図である。
【図２】本発明の方法によるフィルム冷却の模式的図である。
【図３】従来の２つの流れの間の混合層の発達を示す模式図である。
【符号の説明】
１　超音速流れ（超音速高温流、高温排気）、
２　超音速流れ（超音速低温流、冷却用空気）、
３　超音速剪断層、
４　２次元大規模構造渦、
５　縦渦（３次元的な乱れ）、
６　隔壁、
７　被冷却部材（排気ノズル等）、
７ａ　噴射口、
１０　縦渦形成手段（突起物）
【図１】
2004019510.tif 000003
【図２】
2004019510.tif 000004
【図３】
2004019510.tif 000005