将来回転翼機研究会/回転翼解析技術交流会 2023/3/24

低レイノルズ数領域における平板翼ロータのホバリング解析
横浜国立大学 坂爪竣哉、鈴木恵太、古澤善克、北村圭一

1目次
 研究事例①（低レイノルズ数領域における平板翼ロータのホバリング解析）- 背景・目的- 研究手法- 結果・考察 研究事例②（風洞スケール・実機スケールでのプロペラ翼端付近の圧縮性の影響）
 研究事例③（プロペラ・固定翼統合モデルにおける空力干渉の数値解析）
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計算事例①-背景・目的・火星探査機の多様化→用途に応じて使用される
ローバ [1]

オービタ[2]・火星ヘリコプタの使用→垂直離着陸が可能
竪穴探査への利用が期待

ヘリコプタ [3][1]https://www.space.com/42288-nasa-keeps-hailing-mars-rover-opportunity.html[2]https://mars.nasa.gov/mars-exploration/missions/maven/[3]https://slashgear.jp/science/9399/3

計算事例①-背景・目的
火星ヘリコプタ使用の条件・課題
・大気密度が地球の約1/100→低レイノルズ数領域での飛行・二重反転ロータの使用→上面ロータの後流が下面ロータに干渉するなど流れ場が複雑になる

目的
低レイノルズ数領域における二重反転ロータの空力解析
・シングルロータとの比較
・二重反転ロータの非定常性に関する調査
4

計算事例①-研究手法
yz・計算条件[4]翼型

平板翼

アスペクト比4

コード長c [m]0.0295

スパン長b [m]0.117ロータ半径R [m]0.137

ロータ間距離 [m]0.0822(0.6R)

回転速度 [rpm]500

レイノルズ数

1.1×104

ピッチ角[deg.]

15

翼端マッハ数0.02108

Rbzxx

upper
0.6R
lower

［4］西村練，大川真生，伊神翼，藤田昂志，永井大樹，“低レイノルズ数条件下における同軸反転ロータの アスペクト比の違いによる性能調査”，
5
第54回流体力学講演会，2022.

y計算事例①-研究手法
・計算手法
ソルバ：rFlow3D
支配方程式 ：圧縮性NS方程式
乱流モデル ：なし
時間積分 ：（外側背景格子）4段階ルンゲクッタ陽解法（内側背景格子・物体格子）Dual-time stepping/LU-SGS陰解法
空間精度 ：FCMT(Fourth Order Compact MUSCL TVD)・計算格子
・3種類の格子を重合（物体格子、外側・内側背景格子）

・異なる格子密度について検証→密度に対する解の収束を検証
Coarse ： 4,192,928 cell
Medium ： 8,115,537 cell
Fine： 17,794,159 cell

内側背景格子外側背景格子物体格子

6計算事例①-結果・考察

MediumFine

Coarse・3パターンを検証し、格子収束を確認

7

計算事例①-結果・考察
・二重反転ロータの結果→upperに比べ、lowerでは大きな振動が見られる

zupperlower

yx8

計算事例①-結果・考察
・1周分の表面圧力の変化（上面）・表面圧力の時間変動：upper＜lower
・翼根側にも変化が見られる
・upper
回転方向z・lower

upperxlower
9y計算事例①-結果・考察
・1周分の表面圧力の変化（上面）・表面圧力の時間変動：upper＜lower
・翼根側にも変化が見られる
・upper
回転方向z・lower

upperxlower
10y計算事例①-結果・考察
0.03

・表面圧力の時間変動：upper＜lower
・高圧領域の変化が顕著

0.02

0.01
CT

・1周分の表面圧力の変化（下面）0-0.01・upper
回転方向

upper

lower

-0.02
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rotor Revolutionsz・lower

upperx11y計算事例①-結果・考察
0.03

・表面圧力の時間変動：upper＜lower
・高圧領域の変化が顕著

0.02

0.01
CT

・1周分の表面圧力の変化（下面）0-0.01・upper
回転方向

upperlower-0.02
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Rotor Revolutions

z・lower

upperx12y

計算事例①-結果・考察
・シングルロータとの比較→upperがおおよそ一致→推力の上昇（lowerの影響）はほぼ見られない

z

upper
lower

yx13

計算事例①-結果・考察
結論・upperに比べ、lowerでは大きな振動が見られる→・表面圧力の時間変動：upper＜lower

・特に下面側において高圧領域の変化が顕著

・推力係数はシングルロータとupperがおおよそ一致→推力の上昇（lowerの影響）はほぼ見られない

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計算事例②
風洞スケール・実機スケールを比較し，プロペラ翼端付近の圧縮性の影響を調査
計算対象

計算条件
レイノルズ数Rec： 1.8x104 (@75% span)
一様流速[m/s]： 9.0 (45)迎角α[deg.]：0
プロペラ回転数n[rpm] ： 4500
プロペラ進行率J： 0.8
プロペラ翼端マッハ数 ： 0.10 (0.52)

内側背景格子Flow

外側背景格子APC Propeller 6x4E

（括弧内は実機スケール）

側面図

ブレード2枚のプロペラ(APC Propellers 6x4E)＋2つの背景格子

風洞実験スケールの数値計算と• 物体のスケール変更（5倍，実機スケール）• 一様流密度・速度をそれぞれ1/25・5倍の計算を比較．
→実機スケールでは翼端付近は高マッハ数
15計算事例②
風洞スケール・実機スケールを比較し，プロペラ翼端付近の圧縮性の影響を調査
風洞スケール

実機スケール

プロペラ回転面の法線力係数分布

内側背景格子外側背景格子APC Propeller 6x4E

✓ 実機スケールでは圧縮性が剥離せん断層を安定化させ，プロペラの振動が弱まることを明らかにした．

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計算事例③・プロペラ・固定翼統合モデルにおける空力干渉の数値解析
ソルバ：Fastar-Move

AIAA workshopで取り上げられた、プロペラ・固定翼における空力干渉を計算(Hooker, J et al..: Overview of Low Speed Wind Tunnel Testing Conducted on a Wingtip Mounted Propeller for the Workshop
for Integrated Propeller Prediction, AIAA Paper 2020-2673, 2020.)

17計算事例③・プロペラ・固定翼統合モデルにおける空力干渉の数値解析
プロペラ近傍は一様な格子によって解像するべき
しかし、一様な細かい格子は格子点数 増 計算コスト 増→格子点数の節約を目的とし、非一樣な計算格子において同様の計算
その結果...
・プロペラ後流中の固定翼表面圧力→どちらの格子でも良好に再現

一様な格子(Refinement Box)

非一様な格子18

計算事例③・プロペラ・固定翼統合モデルにおける空力干渉の数値解析
・格子のレベルが切り替わる領域で非物理的な圧力勾配→回転翼の空力解に振動が発生

一様な格子(Refinement Box)

非一様な格子19