〈特別研究課題〉 ヴォルテックスジェネレータによる選択的噴流熱拡散制御
助 成 研 究 者

名古屋大学

伊藤

靖仁

ヴォルテックスジェネレータによる選択的噴流熱拡散制御
伊藤 靖仁（名古屋大学）

Selective Control of Thermal Diffusion in Jet
by Vortex Generators
Yasumasa Ito(Nagoya University)

Abstract：
Effects of vortex generators (VGs) on entrainment and diffusion in a slightly heated axisymmetric
jet are experimentally investigated. The VGs are installed circumferentially with an equal interval
at the jet exit. The number of the VGs is varied from 1 to 6. The jet Reynolds number is set to
20,000. Instantaneous streamwise and radial (vertical or horizontal) velocities and temperature aremainly measured simultaneously by a composite probe which consists an X-type hot-wire and an
I-type cold-wire. The results show that the entrainment of the ambient fluid increases with thenumber of the VGs near the jet exit. However, in the downstream region, it is the largest in thecase with 3 VGs and those in the cases with 4 , 5 , and 6 VGs are smaller than that in the casewithout the VG. It is revealed that, compared to the case without the VG, the entrainment velocity
represented by the mean velocity gradient is equivalent or smaller in all cases with VGs but theentrainment area is much larger when the entrainment rate is larger, and it is the same level oralso smaller when the entrainment rate is smaller. Regarding thermal diffusion, that near the jetexit is more enhanced with increasing the number of the VG but, in the downstream region, it isequivalent or smaller in all cases with the VGs than that in the case without the VG. These
characteristics are attributed to the balance of the turbulence energy and mean velocity distributionof the jet, which supposedly represents the interfacial area of the jet.

－ 15 －

1．はじめに噴流中における運動量やスカラーの拡散現象は，空気清浄機や冷暖房機といった空調機器，航空機・ロケットのエンジン，燃焼器内における燃料の噴射等に幅広く見られる．そのため，噴流制御
は工学的に重要な技術課題である．噴流の速度場の制御方法としては，噴流の特性が噴流の出口形状や境界条件に依存する性質(Xu and Antonia, 2002)を利用し，噴流出口形状の変更(Longmire etal., 1992, Heeb et al., 2014) や出口部へのタブやVG など突起の設置(Bradbury and Khadem, 1975,
Rogers and Parekh, 1994, Zaman, 1999)する方法 が挙げられる．自身の研究グループも過去の研究(三浦他，2015)で6つの半デルタ翼形状のボルテックスジェネレータ(VG) を軸対称噴流出口直後に設置する実験を行い，VG が速度場に与える影響を調査した．その結果，VG は噴流出口直後において噴流の拡散や周囲流体の取り込みを促進させるが，噴流出口の遠方の領域では，平均せん断
応力の減少により乱れの生成および運動量輸送が抑制されるため，周囲流体の取り込み効果が抑制されることを明らかにした．
一方，噴流のスカラー場にVG が及ぼす影響については，Mi and Nathan (Mi and Nathan, 1999)
が加熱軸対称噴流の出口直後に2つあるいは4つのデルタタブが設置された場合のスカラー混合機
構を実験的に調査した．その結果，噴流出口直後において，タブによる周囲流体の噴流内部への巻
き込みにより噴流中心軸上での平均温度が急激に減少する，つまり混合効果が促進されることを明らかにした．加えて，タブが2 個の場合にはポテンシャルコア領域がタブにより分割されるため，混合効果がより顕著であることを明らかにした．また，Miら(Mi et al., 2001) は，加熱軸対称噴流の挙動に及ぼす初期速度分布の影響を実験的に調査した．その結果，円管ノズルは縮流ノズルの場合と比較してコヒーレント渦輪の発生を抑制するため，噴流中心軸上での平均温度および温度乱れの減衰率が低下することを明らかにした．
これらのことから，軸対称噴流の初期速度場にVG によるじょう乱を与えた場合にも，スカラー
拡散場に大きな影響を及ぼすと考えられる．また，噴流の拡散・抑制それぞれの目的に応じた最適なVGの設置方法(個数）があると考えられるが，その設計指針は明らかにされていない．そこで本
研究では，過去の研究(三浦他，2015)で対象とした軸対称噴流場に加熱流体を供給する実験を行い，VG による噴流制御が乱流熱輸送に及ぼす影響の解明および噴流の制御（拡散，抑制）指針を示
すことを目的とした．
2. 実験
2.1 実験装置
図1に実験装置の概略を示す．用いた装置は既往研究(三浦他，2015)と同様であり，送風機，風洞，および円形スキマーにより構成されている．ただし，加熱噴流を供給するために，送風機の空気取り入れ口に電熱ヒータを設置した．円形スキマーの直径dは30mmであり，上流側の形状は鋭利に加工してある．スキマー直径d と噴流出口部における流速UJ≃10m/s から決定される出口レイ
ノルズ数ReJは，20,000に設定した．また，噴流出口における流体温度は，周囲流体の温度より7.5
K 高く設定した．座標系は原点をスキマー出口直後の中心点として，主流方向をx，垂直方向をy，スパン方向をz とした．
図1(b) に噴流出口近傍の概略を，内挿図にVG の拡大図を示す．なお図はVGを6個設置した場合－ 16 －

場合であり，複数のVG を設置する場合には VG が等間隔になるように配置した．個々のVG は半であり，複数のVGを設置する場合にはVGが等間隔になるように配置した．個々のVGは半デルタ場合であり，複数の VG を設置する場合には VG が等間隔になるように配置した．個々の VG は半デルタ翼形状の小片であり，最も鋭い角を上流方向に向け，主流方向に対する迎角が30 度の状態
翼形状の小片であり，最も鋭い角を上流方向に向け，主流方向に対する迎角が30度の状態で設置
デルタ翼形状の小片であり，最も鋭い角を上流方向に向け，主流方向に対する迎角が 30 度の状態で設置されている．VGの突き出し高さ h は 3.75mm
であり，噴流出口直径との比は h/d=0.125
されている．VG の突き出し高さhは3.75mm
であり，噴流出口直径との比はh/d=0.125
である．でで設置されている．VG の突き出し高さ h は 3.75mm であり，噴流出口直径との比は h/d=0.125 である．
2.2 計測装置
ある．
2·2
計測装置
図2に，速度温度計測プローブ部の概略を示す．計測には自作の熱線流速計と冷線温度計をそれ
2·2 計測装置
図 2 に，速度温度計測プローブ部の概略を示す．計測には自作の熱線流速計と冷線温度計をそれぞれ使用した．熱線流速計のセンサ部を直径5µm，長さ1mm，冷線温度計のセンサ部を直径3µm，
図 2 に，速度温度計測プローブ部の概略を示す．計測には自作の熱線流速計と冷線温度計をそれぞれ使用した．
熱線流速計のセンサ部を直径 5μm，長さ 1 mm，冷線温度計のセンサ部を直径 3μm，長さ2mm のタングステン細線をそれぞれ支持用のプロングにスポット溶接して製作した．速度2ぞれ使用した．熱線流速計のセンサ部を直径 5μm，長さ 1 mm，冷線温度計のセンサ部を直径 3μm，長さ2mm のタングステン細線をそれぞれ支持用のプロングにスポット溶接して製作した．速度2成分(x方向とy方向，またはx方向とz方向)
および温度の同時計測の際には，図2 に示されるX 型熱長さ 2mm のタングステン細線をそれぞれ支持用のプロングにスポット溶接して製作した．速度 2成分(x 方向と y 方向，または x 方向と z 方向) および温度の同時計測の際には，図 2 に示される X
線プローブおよび冷線プローブを組み合わせた複合プローブを使用した．各プローブのセンサ部中成分(x方向と y 方向，または x 方向と z 方向) および温度の同時計測の際には，図 2 に示される X型熱線プローブおよび冷線プローブを組み合わせた複合プローブを使用した．各プローブのセンサ
心のy，z方向座標は一致しているが，物理的干渉を避けるために冷線プローブを熱線プローブのD型熱線プローブおよび冷線プローブを組み合わせた複合プローブを使用した．
各プローブのセンサ
部中心の y，z 方向座標は一致しているが，物理的干渉を避けるために冷線プローブを熱線プロー
x = 2.0 mm(Dell Vostro
部中心のy，z上流に設置した．熱線流速計と冷線温度計で得られた電圧信号は，PC
方向座標は一致しているが，物理的干渉を避けるために冷線プローブを熱線プロー
ブの D x = 2.0 mm 上流に設置した．
熱線流速計と冷線温度計で得られた電圧信号は，PC (Dell Vostro200) Dに搭載されたA/D
変換ボード(National
Instruments PCIe-6343) により16bit のデジタル信号
ブの
x = 2.0 mm 上流に設置した．
熱線流速計と冷線温度計で得られた電圧信号は，PC (Dell Vostro200) に搭載された A/D 変換ボード(National Instruments PCIe-6343) により 16 bit のデジタル信号に変換され，コンピュータに記録された．計測時のサンプリング周波数は20kHz，サンプリング時200)に搭載された A/D 変換ボード(National Instruments PCIe-6343) により 16 bit のデジタル信号に変換され，コンピュータに記録された．計測時のサンプリング周波数は 20 kHz，サンプリング時
間は約26秒とした．
に変換され，コンピュータに記録された．計測時のサンプリング周波数は20 kHz，サンプリング時
間は約 26 秒とした．
間は約 26 秒とした．

図 1. 実験装置の概略．(a)風洞部，(b)噴流出口近傍およびVG
図1. 実験装置の概略．(a)風洞部，(b)噴流出口近傍およびVG
図 1. 実験装置の概略．(a)風洞部，(b)噴流出口近傍および VG

図2. 速度温度計測プローブ

3.実験結果（速度場）

図 2. 速度温度計測プローブ
図 2. 速度温度計測プローブ

3.1 速度分布
図3および4に，x/d=2.0および9.0における主流方向平均流速の断面分布をそれぞれ示す．図3よ3
3－ 17 －

3.実験結果（速度場）
3.1 速度分布
3.実験結果（速度場）
図 3 および 4 に，x/d=2.0 および 9.0 における主流方向平均流速の断面分布をそれぞれ示す．図 3
3.1 速度分布
より，上流部ではVG の背後では速度が小さく，VG の谷間では速度が大きいことがわかる．またおよび 4 に，x/d=2.0 および 9.0 における主流方向平均流速の断面分布をそれぞれ示す．図3
図図4 3より，下流に進むと分布は円形に近づくものの，2VG
および 3VG の場合には VG の影響がまり，上流部ではVGの背後では速度が小さく，VGの谷間では速度が大きいことがわかる．また図4より，上流部ではVG の背後では速度が小さく，VG の谷間では速度が大きいことがわかる．まただ残っていることがわかる．
より，下流に進むと分布は円形に近づくものの，2VGおよび3VGの場合にはVGの影響がまだ残っ
図 4 より，下流に進むと分布は円形に近づくものの，2VG および 3VG の場合には VG の影響がまていることがわかる．
だ残っていることがわかる．

図 3. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=2.0)
図3. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=2.0)

図 3. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=2.0)

図4. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=9.0)

図 4. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=9.0)
3.2 巻き込み流量
3.2 巻き込み流量
各主流方向位置における主流方向平均流速を積分することで，各断面における流量qを算出した．
各主流方向位置における主流方向平均流速を積分することで，各断面における流量 q を算出した．
図 4. 主流方向平均流速の断面分布(x/d=9.0)
図5(a)にその主流方向分布を，(b)に各位置において，VG無しの場合に対するVG有の場合の流量の4
図 5(a)にその主流方向分布を，(b)に各位置において，VG 無しの場合に対する VG 有の場合の流量変化を示す．ただし流量は初期流量q0 で無次元化されている．
の変化を示す．ただし流量は初期流量 q0 で無次元化されている．
4q∫∫Udydz=2
q* =q0 U J (πd / 4)

また，図中の添え字 wo は VG を設置しなかった場合を，0 は初期における値を示す．図より，上流部では VG の数が増えるに従がって流量が増大する，
すなわち周囲流体の巻き込み量が増大する－ 18 －
ことがわかる．しかし下流に進むとその効果は反転し，下流部においては，VG の数が 4 つ以上の場合には VG を設置しなかった場合よりも流量が小さく，その傾向は VG が 6 つの場合に最も顕著

図 5(a)にその主流方向分布を，(b)に各位置において，VG 無しの場合に対する VG 有の場合の流量∫∫Udydzq U (Udydz
πd / 4)
q
∫∫
=
q* =

q
の変化を示す．ただし流量は初期流量0 で無次元化されている．
=
q*q=
0

J

2

q0 U J (πd / 4は初期における値を示す．図より，上)また，図中の添え字 wo は VG を設置しなかった場合を，02

また，図中の添え字woはVGを設置しなかった場合を，0は初期における値を示す．図より，上流
流部ではVG の数が増えるに従がって流量が増大する，すなわち周囲流体の巻き込み量が増大する
また，図中の添え字 wo は VG を設置しなかった場合を，0 は初期における値を示す．図より，上部ではVGの数が増えるに従がって流量が増大する，すなわち周囲流体の巻き込み量が増大するこ
ことがわかる．しかし下流に進むとその効果は反転し，下流部においては，VGの数が 4 つ以上の流部では VG の数が増えるに従がって流量が増大する，すなわち周囲流体の巻き込み量が増大するとがわかる．しかし下流に進むとその効果は反転し，下流部においては，VGの数が4つ以上の場
場合にはVG を設置しなかった場合よりも流量が小さく，その傾向は VG が 6 つの場合に最も顕著ことがわかる．しかし下流に進むとその効果は反転し，下流部においては，VG の数が 4 つ以上の合にはVGを設置しなかった場合よりも流量が小さく，その傾向はVGが6つの場合に最も顕著であである．一方
VG の数が２つまたは３つの場合には，測定範囲においては VG を設置しなかった場
場合には VG を設置しなかった場合よりも流量が小さく，その傾向は VG が 6 つの場合に最も顕著
る．一方VGの数が２つまたは３つの場合には，測定範囲においてはVGを設置しなかった場合に比合に比べて下流域においても流量が大きい結果となった．そこで，以後は3VG および 6VG の場合である．一方 VG の数が２つまたは３つの場合には，測定範囲においては VG を設置しなかった場
べて下流域においても流量が大きい結果となった．そこで，以後は3VGおよび6VGの場合についについて考察する．
合に比べて下流域においても流量が大きい結果となった．そこで，以後は 3VG および 6VG の場合て考察する．
について考察する．

図 5. 流量に関する統計量．(a)流量の主流方向分布，
図5. 流量に関する統計量．
(a)流量の主流方向分布，(b)各断面におけるVG を設置しなかった場合との比
図 5.(b)各断面におけるVGを設置しなかった場合との比流量に関する統計量．(a)流量の主流方向分布，(b)各断面における VG を設置しなかった場合との比

図6. 巻き込み量に関する統計量．(a)半値幅の位置における主流方向

図 6. 巻き込み量に関する統計量．(a)半値幅の位置における主流方向
平均速度こう配の断面平均量，(b)半値幅の等値線長さ
平均速度こう配の断面平均量，(b)半値幅の等値線長さ
一般に，せん断流れ場における流体の巻き込み流量は，流体の巻き込み速度の積分値として表さ
図 6. 巻き込み量に関する統計量．(a)半値幅の位置における主流方向
れる．流体の巻き込みは噴流と周囲流体の乱流非乱流界面において行われるが，本研究で巻き込み
平均速度こう配の断面平均量，(b)半値幅の等値線長さ5速度およびその定義点を同定は不可能である．そこで，その駆動力は主流方向速度こう配であるこ5とを考慮し，噴流の半値幅位置における速度こう配が巻き込み速度を，半値幅の等値線が巻き込み領域を代表すると仮定し，各場合におけるそれらの値を算出した．図6(a)に断面平均された主流方
向速度こう配の主流方向分布を，図6(b)に半値幅位置における等値線長さの主流方向分布を示す．
図6(a)より，平均速度こう配は上流部からVGを設置した場合の方が小さい，つまり巻き込み速度は小さいことがわかる．一方図6(b)からわかるように，等値線長さは，6VGの場合には上流部では長いのに対して，下流部ではVGを設置しなかった場合よりも短い．一方3VGの場合には，上流部－ 19 －

方向速度こう配の主流方向分布を，
方向速度こう配の主流方向分布を，図
図 6(b)に半値幅位置における等値線長さの主流方向分布を示す．
6(b)に半値幅位置における等値線長さの主流方向分布を示す．
図
図 6(a)より，平均速度こう配は上流部から6(a)より，平均速度こう配は上流部から VG
VG を設置した場合の方が小さい，つまり巻き込み速度を設置した場合の方が小さい，つまり巻き込み速度は小さいことがわかる．一方図は小さいことがわかる．一方図 6(b)からわかるように，等値線長さは，6VG
6(b)からわかるように，等値線長さは，6VG の場合には上流部ではの場合には上流部では長いのに対して，下流部では長いのに対して，下流部では VG
VG を設置しなかった場合よりも短い．一方を設置しなかった場合よりも短い．一方 3VG
3VG の場合には，上流の場合には，上流から下流部にかけて全体でVGを設置しなかった場合より長い．また3VG，6VGいずれの場合にも部から下流部にかけて全体で部から下流部にかけて全体で VG
VG を設置しなかった場合より長い．またを設置しなかった場合より長い．また 3VG，6VG
3VG，6VG いずれの場合
いずれの場合上流部で一度長さが減少しているが，これはVGにより歪められたポテンシャルコアの断面形状がにも上流部で一度長さが減少しているが，にも上流部で一度長さが減少しているが，これは
これは VGVG により歪められたポテンシャルコアの断面形により歪められたポテンシャルコアの断面形
円形に近づくことを意味している．これらのことは，巻き込み量は巻き込み速度ではなく巻き込み状が円形に近づくことを意味している．これらのことは，巻き込み量は巻き込み速度ではなく巻き状が円形に近づくことを意味している．これらのことは，巻き込み量は巻き込み速度ではなく巻き領域の大きさに強く依存することを意味する．
込み量行きの大きさに強く依存することを意味する．
込み量行きの大きさに強く依存することを意味する．
4.4.実験結果（温度場）
実験結果
（温度場）
4.実験結果（温度場）

パッシブスカラーの混合・拡散に及ぼすの影響を定量的に評価するため，y−z
パッシブスカラーの混合・拡散に及ぼすVG
パッシブスカラーの混合・拡散に及ぼす VG
VGの影響を定量的に評価するため，y−z平面上の平均の影響を定量的に評価するため，y−z 平面上の平均
平面上の平均温度分布に基づくエントロピーS
は温度分布に基づくエントロピーSを計算した．SはBoltzmannの公式を基に次式で定義される
温度分布に基づくエントロピーS を計算した．Sを計算した．S
は Boltzmann
Boltzmann の公式を基に次式で定義されるの公式を基に次式で定義される(Eversonet(Everson1998).
(Eversonet
et al.,
al., 1998).
1998).

S ≅ kΦ ln Φ − k ∫∫ φ ln φdydz
ここで
kk は定数であり，今回は
ここでkは定数であり，今回は1とした．また
ここでは定数であり，今回は 11 とした．またとした．また=φφ ((Θ/(Θ=Θ−−ΘΘ aa )) /(Θ JJ −−ΘΘ aa ))

Φ=∫∫ φdydz

である．なお，Θは平均温度を，添え字のJおよびaはそれぞれ初期噴流および周囲流体を示す．こである．なお，Θである．なお，Θ は平均温度を，添え字のは平均温度を，添え字の JJ およびおよび aa はそれぞれ初期噴流および周囲流体を示す．
はそれぞれ初期噴流および周囲流体を示す．
こでSの左辺第1項は統計エントロピーを，第2項は変動エントロピーと呼ばれ，噴流においては，

ここで
ここで SS の左辺第の左辺第 11 項は統計エントロピーを，第項は統計エントロピーを，第 22 項は変動エントロピーと呼ばれ，噴流において項は変動エントロピーと呼ばれ，噴流において統計エントロピーが主体的な役割を示すことが多い．図7に，全エントロピーの主流方向分布およは，統計エントロピーが主体的な役割を示すことが多い．図は，統計エントロピーが主体的な役割を示すことが多い．図 77 に，全エントロピーの主流方向分布に，全エントロピーの主流方向分布
び各点におけるVGを設置しなかった場合と設置した場合の比を示す．なおS
Jは初期エントロピー
および各点における
なお SSJJ は初期エントロ
は初期エントロおよび各点における VG
VG を設置しなかった場合と設置した場合の比を示す．
を設置しなかった場合と設置した場合の比を示す．なおである．図7より，スカラー拡散も巻き込み量と同様に，上流部ではVGの設置数が多いほど促進
ピーである．図ピーである．図 77 より，スカラー拡散も巻き込み量と同様に，上流部ではより，スカラー拡散も巻き込み量と同様に，上流部では VG
VG の設置数が多いほどの設置数が多いほどされるものの，下流ではその効果はむしろ抑制する方向に働くことがわかる．また3VGの場合に促進されるものの，下流ではその効果はむしろ抑制する方向に働くことがわかる．また促進されるものの，下流ではその効果はむしろ抑制する方向に働くことがわかる．また 3VG
3VG の場の場も下流域ではVGを設置しなかった場合よりもエントロピーが同程度か小さなことから，スカラー合にも下流域では合にも下流域では VG
VG を設置しなかった場合よりもエントロピーが同程度か小さなことから，を設置しなかった場合よりもエントロピーが同程度か小さなことから，スカスカ
拡散については，いずれの場合にも下流域では抑制されることがわかる．つまり，出口遠方にス
ラー拡散については，いずれの場合にも下流域では抑制されることがわかる．つまり，出口遠方にラー拡散については，いずれの場合にも下流域では抑制されることがわかる．つまり，出口遠方にポット的に熱を輸送したい場合には，多くのVGを設置することが有効であることと言える．
スポット的に熱を輸送したい場合には，多くのスポット的に熱を輸送したい場合には，多くの VG
VG を設置することが有効であることと言える．
を設置することが有効であることと言える．

5. 数値シミュレーションによる速度場の可視化
5.数値シミュレーションによる速度場の可視化
5.数値シミュレーションによる速度場の可視化実験とほぼ同じ条件において，スーパーコンピュータを用いた直接数値計算を行った．数値解法
実験とほぼ同じ条件において，スーパーコンピュータを用いた直接数値計算を行った．数値解法
実験とほぼ同じ条件において，スーパーコンピュータを用いた直接数値計算を行った．数値解法には部分段階法を用い，時間発展にはおもにルンゲクッタ法を用いた．空間差分にはおもにには部分段階法を用い，時間発展にはおもにルンゲクッタ法を用いた．空間差分にはおもに 2
2 次中
次中
6
6

図7. (a)温度場のエントロピーの主流方向変化．(b)VGの有無によるその比図 7. (a)温度場のエントロピーの主流方向変化．(b)VGの有無によるその比－ 20 －

図 7. (a)温度場のエントロピーの主流方向変化．(b)VG の有無によるその比(b)
図8. 数値シミュレーションによる3次元渦構造の可視化．
(a)VG近傍，(b) 流れ場の全体像．

図 8. 数値シミュレーションによる 3 次元渦構造の可視化．
(a)VG 近傍，(b) 流れ場の全体像．
には部分段階法を用い，時間発展にはおもにルンゲクッタ法を用いた．空間差分にはおもに2次中心差分を用いた．VG により生成される渦の 3 次元構造の可視化などを行った．その結果を図 8 に心差分を用いた．VGにより生成される渦の3次元構造の可視化などを行った．その結果を図8に示示す．図より，VG の背面側では縦渦状の流れが，前面側では偏向流が生成されることがわかる．
す．図より，VGの背面側では縦渦状の流れが，前面側では偏向流が生成されることがわかる．ままた，この偏向流は半径方向外側に拡散していくことから，これが初期の噴流拡散促進の原因であた，この偏向流は半径方向外側に拡散していくことから，これが初期の噴流拡散促進の原因であるると考えられる．それらは下流に行くと合流し，さらに下流に行くと噴流自身が作り出す乱れと重と考えられる．それらは下流に行くと合流し，さらに下流に行くと噴流自身が作り出す乱れと重ねねあわされることが明らかになった．今後は，VG が作る乱れのより詳細な渦構造や熱拡散に及ぼあわされることが明らかになった．今後は，VGが作る乱れのより詳細な渦構造や熱拡散に及ぼすす影響を明らかにしていく予定である．
影響を明らかにしていく予定である．
6.まとめ
6．まとめ
本研究では，加熱軸対称噴流の出口に挿入された半デルタ翼形状 VG が噴流の流動構造および熱本研究では，加熱軸対称噴流の出口に挿入された半デルタ翼形状VGが噴流の流動構造および熱輸送機構に及ぼす影響を明らかにした．また VG による噴流の巻き込みや混合・拡散制御（促進や輸送機構に及ぼす影響を明らかにした．またVGによる噴流の巻き込みや混合・拡散制御（促進や抑抑制）のための最適化指針を示すことを試みた．得られたおもな知見は以下のとおりである．
制）のための最適化指針を示すことを試みた．得られたおもな知見は以下のとおりである．
• 複数の VG を設置した場合，噴流出口直後においては，噴流拡散は VG の谷間で促進され背後・複数のVGを設置した場合，噴流出口直後においては，噴流拡散はVGの谷間で促進され背後ででは抑制される．噴流出口から離れるにつれて速度および温度統計量の分布形状は軸対称には抑制される．噴流出口から離れるにつれて速度および温度統計量の分布形状は軸対称に近づ近づく．しかし，2 つの VG および 3 つの VG を設置した場合には，それぞれ楕円形，三角形
く．しかし，2つのVGおよび3つのVGを設置した場合には，それぞれ楕円形，三角形形状を
形状を比較的下流域まで維持する．
比較的下流域まで維持する．
• VG の背後の領域では縦渦が発生するのに対して，VG の前面側では VG に衝突した流れが偏向・VGの背後の領域では縦渦が発生するのに対して，VGの前面側ではVGに衝突した流れが偏向されて，平均速度や平均温度が大きい流体が噴流が半径方向外側に拡散する．
7
・噴流出口近傍の領域では，VGの数が増えるにしたがって周囲流体の巻き込み効果やスカラーの拡散混合効果が促進される．一方噴流出口遠方では，巻き込みは3つのVGを設置した場合に最も促進される．特に6つのVGを設置した場合には逆に抑制され，VGを設置しなかった場合に比べても巻き込み量は小さくなる．
・VGを設置すると空間平均的な巻き込み速度は減少するが，その領域が大きく増大する場合には，巻き込みが促進される．
・空間平均スカラーの拡散混合については，上流ではいずれも促進されたが，下流ではVGを設置した場合にはVGを設置しなかった場合と同程度か抑制される．その効果は特にVGを６つ設置した場合に顕著である．

－ 21 －

以上の事から，VGは噴流の熱拡散制御手法として有効であり，設置方法によって促進および抑制のいずれにも作用させられることが明らかになった．よって，各目的に応じた最適化を行えば，空調機器などの高効率化・省エネルギー化を実現できると期待できる．
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[3] N. Heeb, E. Gutmark and K. Kailasanath, An experimental investigation of the flow dynamics
of streamwise vortices of various strengths interacting with a supersonic jet, Physics of
Fluids, Vol. 26, 086102, 2014.
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Mechanics, Vol. 70, pp. 801-813, 1975.
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