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日本ガスタービン学会誌

Vol. 49No. 62021.11

航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―
PIV Measurement of the Flow Field Near Trailing Edge of the Low-pressure Turbine for Aeroengine:
Investigation of Relationship Between Blade Boundary Layer and Flow Field Near Trailing Edge
相馬 天斗＊1
SOMA Takato

山﨑 悠貴＊1

船﨑 健一＊2

YAMAZAKI Haruki

FUNAZAKI Ken-ichi

谷口 英夫＊2

長尾 隆央＊3

TANIGUCHI Hideo

NAGAO Takahisa

ABSTRACTThis study deals with PIV measurements of the flow around the trailing edge of low-pressure turbine foraeroengine. Since this area, called base region, is greatly involved in the aerodynamic loss evaluation, detailed
measurement of the base region is strongly desired. Thus, our research group has been conducting several studies
focusing on the base region of a low-pressure turbine (LPT) blade. In the previous researches, we measured basepressure, however the flow field near the trailing edge of the blade wasn’t investigated in detail. In this study, usinga large-scale cascade, we investigate the relationship between the flow behaviors near the trailing edge and boundary
layer around the blade under the unsteady flow condition with the wake inflow generated by the wake generator, alongwith the steady condition measurements without wake inflow.
キーワード：低圧タービン，粒子画像流体計測法，境界層流れ，後縁流れ，後流
Key words : Low Pressure Turbine, Particle Image Velocimetry, Boundary Layer Flow, Trailing Edge Flow, Wake

．緒言

た調査を実施してきた。低圧タービンのベース圧損失は，近年，民間用航空エンジンは低燃費化・低騒音化の観後縁厚みが相対的に小さいこともあり，Denton損失中点から高バイパス比ターボファンエンジンが主流となのほかの損失，特に負圧面側の境界層損失と比べて小さり，バイパス比上昇の傾向は今後も続くと考えられていいが（研究者，流動条件にもよるが形状損失全体の15%る。このエンジンの推力の大半はエンジン前方のファン前後という報告がある⑶,⑷ ），低圧タービンのさらなるで発生しており，そのファンは低圧タービンによって駆高効率化に向けてそのメカニズムの解明や損失低減が望動されている。したがって，エンジンの高効率化には低まれている⑸。特に，高負荷低圧タービンでは負圧面で圧タービンの高効率化が必要不可欠である。

の剝離泡やその後方への非定常的な渦放出⑹,また，正圧筆者の研究グループでは，大型の直線翼列試験装置

面での剝離からの縦渦放出⑺など，翼後縁近傍の流れ場を用いて，翼後縁近傍の流れに着目した研究を行っては翼面境界層の影響を強く受けており，ベース圧損失のきた。この領域（ベース領域）での圧力（ベース圧）

議論には翼面境界層流れとの関連を把握する必要がある。

に起因する空力損失は，Denton⑴ が提唱した翼列損失

藤田ら ⑻ は翼後縁の流れ場計測にPIV（Particle Image（Denton損失と称する）と密接にかかわっていることも

Velocimetry）を用い，圧力計測には静圧孔を設けた円あり，ベース圧の直接計測や数値解析による調査が数多

柱を翼後縁に設置した翼を用い，主流乱れや周期的後流⑵

く行われているが ，筆者の研究グループでは主としてがベース圧損失に与える影響を調査した。その際，ベー航空エンジン用低圧タービンでのベース圧損失に着目しス領域には負圧面側の境界層流れが流入することは確認＊＊＊

原稿受付 2021年 月20日
査読完了 2021年 月27日
岩手大学大学院〒020-8551 盛岡市上田4丁目 ‑岩手大学理工学部〒020-8551 盛岡市上田 丁目 ‑㈱IHI
〒235-8501 横浜市磯子区新中原町

されたものの，その現象がベース圧にどのように関係するかについては調べられていない。
そこで本研究では，円柱wakeの影響を受ける翼面境
界層流れが翼後縁近傍流れ場及びベース圧にどのように影響するかを調査することを目的とし，大型の翼列試験装置を用いた番地

ー 51 ー
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次元PIV計測を実施している。

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航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―

日本ガスタービン学会誌と称している。シート光にはPIV Laser G15000K（カト

主な記号ウ光研，波長：532nm，最大出力15W，連続光）を使用

Table 1 Main symbolsしている。フォグはSafex Fog Generator 2010（Dantec: 翼コード長［m］：Wake通過周期［s］

Dynamics社）によって導入している（メーカー仕様値：軸コード長［m］：主流乱れ度［%］におけるフォグの平均粒子径は約

C ：ベース圧力係数［-］v（x, ）：速度ベクトル［m/s］

k ： 次元乱流運動エネルギ［m2/s2］：入口，出口平均流速［m/s］

Pitch：翼列ピッチ：ｘ座標（軸，流れ方向）μm）。粒子変位の算出にはDynamicStudio6.10を使用しており，処理法は再帰的相関法の一種であるAdaptive PIVを採用している。
.

実験条件・計測条件

Table 2に本研究における実験条件とサンプリング周：レイノルズ数［-］：y座標（ピッチ，垂直方向）：ストローハル数［-］

PS, SS：正圧面，負圧面

波数を示す。サンプリング周波数は，計測領域内におい：時刻［s］

TE：翼後縁て画像間の粒子の最大移動量がpixel以下となるよう設定している。これは画像間の粒子移動量 〜 10pixel⑼

．実験手法
.

の推奨値に準拠している。計測時間は0.6sである。

実験装置

Fig. 1に実験装置を示す。本研究では，典型的な高負Table 2 Experimental conditions and sampling frequencies

荷低圧タービン翼の拡大モデルを用いた直線翼列を使用

Steadyしている。翼コード長は0.308m，軸コード長は0.270m，
翼列ピッチは0.240mである。翼列上流部には直径の円柱をており，動翼に流入する静翼からの周期的後流（以降Wakeと呼ぶ）を相対的に模擬している。
は，コード長，翼列4,500[Hz]

Wide

mm

本装着したスポーク型の後流発生装置を設けレイノルズ数

Re=100k

ピッチ分の出Detailed

22,000[Hz]Unsteady

Re=100k

Wide6,500[Hz]Detailed

22,000[Hz]Re=130k
6,000[Hz]Re=130k

Re=170k
7,500[Hz]Re=170k
7,500[Hz]口平均流速（本論文では速度の大きさを流速と称す）および動粘度で定義している。Wake通過周波数 の無次.

元数であるストローハル数 は次で定義される。

. .

度

は

は翼列入口

PIVの座標系

Fig. 2に本計測におけるPIVの座標系を示す。広域計測では翼列の軸方向とPIVの座標軸⑴
ここで，

計測上の設定が一致するようにしている。詳細計測では計測中心位置

ピッチ平均流速。主流乱れ=100k条件で1.0%, そのほかのレイノルズ数

において，翼面法線方向がPIV座標系の 軸と一致する
ようにしている。

では0.5%となっている。本研究では =0.00を定常条件，=0.36（ =3.8［Hz］）条件を非定常条件と称している。

Fig. 2 PIV coordinate systems

. .

検査領域

検査領域IA（Interrogation Area）の形状は広域計測と詳細計測で異なっている。Table 3に検査領域の大きさを示す。広域計測では，流れの方向が大きく変化するため検査領域の形状を正方形型とし，Fig. 1 Test section

詳細計測では，翼面境界層計測時の空間分解能を上げる.

ために検査領域の高さを縮小した長方形型としている。

計測機器
次元PIV計測の際の粒子画像撮影に使用した高速度

Table 3 Interrogation area sizes

カメラはPhantom V1210（Vision Research社）である。
レンズにはNikkor 50mm f/1.2とAF-S VR Micro-Nikkor

Condition

105mm f/2.8G IF-EDを使用し，前者を使用したPIV計

Wide

24×24［pixel］

測を「広域計測（Wide）」，
後者を「詳細計測（Detailed）」

Detailed

24×16［pixel］

ー 52 ー
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IAOverlap
x-wise：67%，y-wise：67%
x-wise：67%，y-wise：50%

Vol. 49No. 6

長方形型の検査領域は榊原⑽により推奨されており，筆⑾

測は行えていない。また，計測領域を分割して計測を行ったため，それぞれの領域で作成されたコンター図

者の研究グループでもその効果が確かめられている 。
. .

465

2021.11 航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―を重ねたものをFig. 4としている。分割時の計測領域の後流発生装置との同期計測手法

非定常条件では後流発生装置の移動円柱との同期計測

オーバーラップは%から%である。Fig. 4ではを行っている。Fig. 3にその概略を示す。後流発生装置

正圧面剝離が各レイノルズ数において確認できる。また，が回転するごとにトリガー信号が出力されるように

Fig. 4には広域計測により得た流速分布を基に推定されなっており，そのタイミングで粒子画像の撮影を開始した正圧面における時間平均の剝離点と再付着点を図に記ている。また，トリガーからの遅れ時間等を設定するこ載している。ただし，広域計測におけるPIVの空間分解とにより，位相を固定した粒子画像のみを取得すること能の低さが懸念されたため，正圧面側の再付着点に関しも可能である。その際にはトリガー信号に合わせて粒子ては次節の詳細計測によってさらに調査する。負圧面境

画像を

界層流れは，粒子画像からは境界層の剝離がすべての条

枚ずつ撮影する。本研究では図のように遅れ時

間τを設定し，速度を取得する位相を変えている。計算件において確認されているが，広域計測では=100k条

負荷を考慮し，Wake通過周期Tを10分割し10位相分を件のみ負圧面境界層流れの剝離が確認できた。

=130k

調査している。位相平均に使用したデータ数 は700でとある。ここで，泡高さが検査領域の大きさよりも小さく，PIV処理にお次元速度ベクトルv（x, ）の位相平均は次式で定義される。

=170k条件で剝離が確認できなかった理由は，剝離

ける空間平均化により時間平均的に剝離が解像できなかったからだと考えられる。

⑵

Fig. 5に=100k条件における正・負圧面上の剝離泡

から渦放出が起きている付近でのx‑y平面に垂直方向渦度成分（スパン方向渦度成分と称す）瞬時コンターを示す。なお，動画の観測から，正のスパン方向渦度成分のせん断層で特徴付けられる正圧面の剝離泡から生じた渦の多くは，周囲が低速領域であるため剝離泡付近で滞留しており，それらの一部は下流へ移流していく様子が確認された。また，Fig. 4中の破線円内の流速分布からも確認できるように，再付着点付近では剝離せん断層が不鮮明なっているが，これは再付着現象の非定常性に起因するものと考えている。この種の報告は，低圧タービンについては少ない。他方，船﨑らの定常条件・低主流乱れ下の可視化研究⑿でも確認されているように，負圧面Fig. 3 Synchronous measurement methodでは剝離泡からの間欠的渦放出が生じていることが確認できる。また，Fig. 5中の後縁近傍拡大図や後述のFig.

.

16からも確認できるように，負圧面の剝離泡で生じた渦

前処理

粒子画像のRawデータにはカメラセンサーのノイズやは翼後縁まで移流した後，ベース領域へ回り込むことがシート光が翼面反射した影響等が記録されており，それ確認されている。このことから，定常条件では翼後縁近らが粒子変位算出に影響を及ぼすことから，本研究では傍の流れ場には負圧面境界層の剝離泡から生じる渦が翼

それらの影響を低減すべく以下のような前処理を行って後縁近傍の流れ場に影響を与えている可能性が高いと考いる。

えられるが，広域計測では十分に分析できないため，後まず，翼部分や計測対象としない領域に対しマスキン
グ処理を行う。次に粒子未投入時の平均画像を作成する。

述するように詳細計測で再付着点付近の流れ場と後縁近傍の流れ場をより詳しく調査した。
.

そしてマスキングされた粒子画像と粒子未投入の平均画

非定常条件

像の輝度値を差し引くことで，カメラセンサーノイズのFig. 6右側列に非定常条件における時間平均流速コン影響や翼面におけるシート光反射の影響を低減している。

ターを示す。流速の無次元化手法等は定常条件と同じである。Fig. 6左側列の定常条件との比較より，定常条件．広域計測の結果と考察.

で確認された剝離せん断層（図中矢印で示す）が，破線楕円で示すようにWake流入により剝離せん断層の存在

定常条件

Fig. 4に，定常条件における広域計測面上時間平均流
速コンターを示す。無次元化には出口平均流速を使用しが不鮮明となり，正圧面剝離が時間平均的に抑制されていることがわかる。
Wakeが流入していく様子やWake流入に起因した現ている。計測範囲は翼前縁部から後縁まで広範囲にわたるが，装置の構造上，負圧面60%

上流の翼面付近の計

象を確認することを目的として，位相平均による次の量ー 53 ー
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航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―

日本ガスタービン学会誌の時刻では負圧面の後縁付近にWakeが到達していない
ため，Wakeに直接起因した現象ではないと考えられる。
この現象については詳細計測で調査する。

Fig. 4 Time-averaged flow speed contours for three Reynolds
number conditions（ =0.00）

Fig. 6 Time-averaged flow speed contours for two Reynolds
number conditions（left ; =0.00 / right ; =0.36）

Fig. 5 Instantaneous spanwise vorticity component contours
around pressure-side（left）and suction-side（right）
separation areas（ =100k, =0.00）を導入する（Uzun, Hussaini⒀に倣い位相平均2次元乱流
運動エネルギー（2DTKE）と称す）。
⑶
Fig. 7に=100kでの位相平均2DTKEコンターを示す。

Fig. 7

時刻tはトリガー信号発生時を0.0とし，Wake通過周期T

Phase-locked averaged 2DTKE contours（ =100k, =0.36）

で無次元化した / で表記する。Fig. 7より， / =0.1で．詳細計測の結果と考察

2DTKEが大きい領域が正圧面側剝離領域付近に現れており（図中矢印），正圧面側におけるWake流入を示唆している。 / =0.3では正圧面側の翼面付近をWakeが紙面の都合で，詳細計測に関する議論は=100kに限定して行う｡

通過している。 / =0.7では負圧面側でWakeが流入し.

始め， / =0.8では負圧面翼面付近で高2DTKE領域が形

. .

定常条件
剝離再付着点近傍

Fig. 8に詳細計測での対象成されており，Wakeと負圧面翼面境界層の干渉によっ領域を，Fig. 9に時間平均の無次元流速コンターを示す。

て生じたと推測される。なお， / =0.8の2DTKEに僅か

座標系は計測域中心の翼面法線方向をy軸の正とし，正な不連続が現れているが，前述のように複数の小領域毎

圧面側の粒子画像は上下反転させている。そのため，翼の位相平均のデータをオーバーラップして表示しており，面はコンター図の下側にある黒の領域であることに留意

小領域毎に計測開始点の僅かなずれ発生がその理由としされたい。

て考えられる。また， / =0.7では負圧面の後縁付近で詳細計測の結果で得た流速分布Fig. 9 ⒜の分析，具体TKEが大きい領域が形成されていることがわかる。こ的にはFig. 9に併記したように翼面近傍における速度ベー 54 ー
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クトルの分析から，負圧面境界層の時間平均再付着点

下流（SS95%

は93.5%

泡からの渦が移流してくることによって速度RMSがy/に存在すると推定された。再付着点下流は翼，SS99%）は，後述するように剝離

=0.02近傍でピークを有しつつy方向に高速度RMS

面近くの流速が増加している。正圧面側に関しては，正圧面境界層剝離の再付着点はFig. 9 ⒟の分析から48%領域が成長している。一方，正圧面剝離泡の再付着点近と推定された。Fig. 4に示す広域計測結果と比較すると，

傍（PS47%

詳細計測時の時間平均再付着点が度RMS領域が現れ，下流側に速度RMSが減衰している。

%

下流に位置して）では /=0.04までほぼ一様な高速

おり，PIVの空間分解能の違いによって再付着点位置がなお，SS95%

わずかながらずれたと考えられる。

付近でRMSの増加が見られるが，これはこの高さにおの速度RMS分布において， /=0.08

ける粒子数が少なかったことによりサブピクセル精度が悪化したことが原因であると考えられる。
前述の負圧面速度RMSに関連する現象を考察するため，Fig. 12にSS99%における流速と境界層積分値の時間履歴を示す。速度は /=0.02のデータである。

この計測点は速度RMSがピークに達する位置である。
上から順に，流速，排除厚さ，運動量厚さであり，流速は出口平均流速で無次元化している。また，黒の破線
は時間平均値を示す。また，この時間平均値から計算しFig. 8 Detailed measurement area

た形状係数H12が図中に記入されている。流速の時間履
歴より，時間平均流に対して加減速をもたらす現象，即ち渦が周期的に流入していると考えられる。実際，中洞らの計測⒂で負圧面の剝離泡から生じた巻き上がり渦がSS99%に流入していることが示されている。Fig. 13には中洞 ⒃ が2DPIV計測した流れ場から時間平均流を差し引いた変動速度場を示す（=170k）。この図から，回転方向が交番する渦構造が下流側へ移流する状況が確認でき，Fig. 12の流速変動発生を裏付けている。また，
それに合わせて排除厚さや運動量厚さも変化している。
Fig. 14にPS97%

における流速と境界層積分値の時間履歴を示す。流速は /=0.006（正圧面境界層外縁にほぼ相当）のデータである。流速や境界層積分値の時間履歴を見ると，負圧面で見られたようなスパイ
ク状の変動は発生しておらず，スパン方向渦度成分分
布（Fig. 5）からもFig. 13のような二次元的渦放出は発生していない。一方，平均値に対して大きな変動が見られるタイミング（ =0.1 〜 0.2［s］）が存在する。こFig. 9 Time-averaged ﬂow speed contours（upper: suction side,
bottom: pressure side）（ =0.00）with an explanatory
ﬁgure for reattachment point detectionの現象を調査するため，Fig. 15にPS97%付近におけるy方向流速成分とスパン方向渦度成分コンターを示す。時刻tはFig. 14における =0.00とt=0.15に対応している。 =0.00に比べて =0.15では翼面近くにy方向流速が正カ所にの領域（図中では上向き）が流れ方向に広く存在していおける境界層内時間平均流速分布を示しており，縦軸はることがわかる。この様な広範囲にわたってy方向流速

壁面法線方向距離を翼ピッチで無次元化したものであの変化を誘発する事象としては，流れ方向に軸を有する。横軸の流速については，PS 47%に関る渦（縦渦）を挙げることができる。実際，村上⑺,⒄がしては出口平均流速で無次元化しており，それ以外の場行ったLES解析によると，正圧面剝離せん断層から放出

所の流速データは境界層外縁の時間平均最大流速で無された渦は，放出直後に流れ方向に細長い 次元的な渦次元化している。Fig. 11に示す速度RMS分布の無次元へ変形し，翼後縁へ移流していく様子が確認されており，化手法も同様である。Fig. 10のSS95%

本研究でとらえられたこの現象と対応していると考えら

. .

翼面境界層

Fig. 10は正・負圧面合計とPS70%

及びPS47%における壁近傍流速分布は直線的であり，それぞれ再⒅れる。そして，PS97%

における境界層積分値の大き

付着点の直下流及び直上流の流速分布の特徴 を呈しな変動は流れ方向に軸を持つと推測される渦構造の流入ている。また，Fig. 11から，負圧面剝離泡の再付着点が原因であると考えられる。しかし，今回の2DPIVのみー 55 ー
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日本ガスタービン学会誌

では縦渦の存在を立証するには不十分であり，測定面を追加するなど更なる調査を行う予定である。

Fig. 10 Time-averaged ﬂow speed distributions（ =0.00）

Fig. 14 Time histories of ﬂow speed and boundary layer
integrals at PS97%
Fig. 11 Time-averaged velocity RMS distributions（ =0.00）

Fig. 15 Instantaneous normal velocity components and spanwise
vorticity component contour around PS97% （ =0.00）

. .

後縁下流

ベース領域の空間的広がりを理解するため，逆流領域を定義し，それをFig. 16に示す。ここで，逆流とは流れ方向速度が負となる状況を指し，逆流領域は逆流の発生頻度が計測時間の50%以上となる領域とする。また，Fig. 16には逆流頻度50%以上を10%刻
みの等高線としても印している。また，図中には時間平均速度場から算出した流線群を示す。この流線群から，ベース領域での再循環は負圧面側にのみ現れている

Fig. 12 Time histories of ﬂow speed and boundary layer
integrals at SS99% （St=0.00）

ことがわかる。なお，逆流率50%の範囲の下流側への広がりLR（=1.33d，d；後縁直径）は，時間平均流線から読み取れる翼後縁から下流側よどみ点までの距離とほぼ一致していることなどから，ベース領域の時間平均的な特徴量抽出は両記述方法で共通していると見なせる。なお，時間平均的な再循環挙動の広がりを示す指標として再循環の中心位置を導入したところ，翼後縁から36%LR（=48%d）程度であった。
これらの図から，後縁中心を度，正圧面側を正とした場合，翼後縁上における逆流頻度50%の位置は＋40度，‑20度に位置することが分かった。また，逆流頻度50%未満の領域は負圧面側後縁部の50%線の上流側及び上部

Fig. 13 Fluctuating 2D velocity ﬁeld over the suction side
measured by Nakahora⒂,⒃（ =170k, =0.00）に広がっている一方，正圧面側の逆流頻度50%未満の領ー 56 ー

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域は50%線とほぼ重なっており，負圧面側後縁での速度分布や速度RMS分布はFig. 10やFig. 11に示す時間平均

変動域が大きく，流線群からも確認されたように後縁中の分布に類似したものになっており，Wake通過後境界

心に対してベース領域での流れ場が非対称的であること

層が剝離泡を伴う時間平均的な状態に戻ったものと考えを示している。負圧面側での速度変動が大きいのは，動られる。Wakeが通過する前に発生している排除厚さの画での観測及びFig. 11 〜 13で確認された負圧面境界層

ピークP1やそれに続く谷部は，後述するようにこの状態の挙動などから，負圧面剝離泡からの渦が後縁に流入しで発生した渦放出現象と関係している。
Fig. 19にスパン方向渦度成分コンターを示す。理解ていることに起因していると考えられる。
後述するように，ベース領域での流れ場の非対称性はしやすくするため，速度ベクトルを一部に併記している。

後縁部での圧力分布に影響する⑻ことから，ベース圧損

時刻は図に記載のとおりである。 / =0.61では負のスパ

失は負圧面境界層の挙動との関連性が高い。

ン方向渦度成分を持った層が翼面付近に形成されている。
上述のようにWake通過の影響から回復したこの時刻において剝離泡が存在していることが確認されているため，剝離せん断層と考えられ，速度ベクトルからもそのように理解できる。 / =0.74では，SS99%

付近では巻き上がり渦が発生し，下流へ移流していく様子が見られた。 / =0.83でも同様である。これらの時刻は排除厚さのピーク値P2，P3出現の時刻とほぼ一致しており，比較的規模の大きい渦構造の出現が排除厚さの大きな増減を生じさせている。同様な結果がLengani らのPIV計測
によっても得られており， =0.36のようにWake通過周期が比較的大きい条件では，剝離抑制効果はある一方で，Fig. 16 Reverse flow region downstream of T.E. with
time-averaged streamlines（ =0.00）

Wake間においては剝離泡が再成長し，その影響によって形状係数も増加しているとみられる。

.

Fig. 20にPS97%

非定常条件

非定常条件ではWake流入によって剝離が抑制されるにおける位相平均流速分布と位相

平 均 速 度RMS分 布 を 示 す。SS99%と 比 べ てWake流

ことや，3.2節で確認されている翼後縁負圧面側での位

入による位相平均流速の変化は小さい。速度RMS分

相平均2DTKEの増減に関する現象を詳細に調査するた

布では時刻によって差が見られており， / =0.10から

め，計測領域はFig. 8に示す⒝,⒞,⒡の領域とした。

/ =0.40にかけてRMSの増加が生じていることから，における無次元Wake流入の時刻であると考えられる。また，壁近傍に位相平均流速分布と位相平均速度RMS分布を示す。こおいてRMSが増加しているのは，2.5節で示した前処理

こで，Vmaxは各位相における流速の最大値である。Fig.

を行ったことにより壁近傍の粒子が消失し，サブピクセ

18にSS99%

ル精度が悪化したことが原因と考えられる。

. .

翼面境界層 Fig. 17にSS99%における流速と境界層積分値の時間履歴を示す。流速は /Fig. 21にPS97%=0.07のデータである．平板境

界 層 に 関 す る 船 﨑 ら の 研 究 ⒆ か ら，Wake通 過 に よ るにおける流速と境界層積分値の時間履歴を示す。速度は /=0.07のデータである．前⒆

negative jet 効果により流れの加速に続いて減速発生が出の船﨑らの研究 では，正圧面側ではpositive jet効果

知られている。この過去の知見とFig. 18の位相平均流により負圧面とは逆に減速に続いて加速が発生すること

速の時間履歴より，SS99%

が明らかにされており，この知見と位相平均流速の時間へのWake流入開始時刻は/ =0.80前後であることがわかる。これはFig. 17の結履歴から，Wake流入開始時刻は / =0.14付近であるこ果とも対応している。例えば， / =0.81では，計測領域とがわかる。この時刻において排除厚さと運動量厚さ

全域の位相平均速度RMSが顕著に増加している。また，が比較的大きく増加していることが確認できる。また /排除厚さや運動量厚さはWake通過前後で大きな変化を=0.4 〜 0.6付近で排除厚さや運動量厚さの変動が確認

示し，排除厚さには複数のピークや谷部が発生していできるがWake通過の効果と比して限定的である。

る。 / =0.10から / =0.41では壁近傍の位相平均流速が

. .

後縁下流

Fig. 22に後縁下流における位相平低下していき，位相平均速度RMSも小さくなっていく。

均2DTKEコンターを示す。この図から，翼後縁下流の位相平均速度RMSは / =0.41（図中矢印で示す時刻）

流れ場における高2DTKE領域は空間的，時間的に大きで最小となっていることから，この時刻ではWake通過

く変動していること，また，翼後縁のごく近傍におけ

直後に出現するCalm region⒇, , が存在していることがるベース領域付近での2DTKEの値は非常に小さいことわかる。 / =0.51以降は位相平均速度の増加と位相平均がわかる。Fig. 5で確認されたように，定常条件では速度RMSの増加が生じており，Calm regionの崩壊が示

翼後縁正圧面側からせん断層の流出が明確に確認され唆される。その後の / =0.61, 0.71では，位相平均流速て お り，Fig. 22中 の / =0.1 〜 0.4（Wake通 過 の 影 響

ー 57 ー
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航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―

Fig. 17 Phase-locked averaged ﬂow speed and velocity
RMS distributions at SS99% （ =0.36）

P2 P3
P1

日本ガスタービン学会誌

Fig. 20 Phase-locked flow speed and velocity RMS
distributions at PS97% （ =0.36）

P3’
P1’

V2
H12=2.40

Fig. 18 Time histories of ﬂow speed and boundary layer
integrals at SS99% （ =0.36）

Fig. 21 Time histories of ﬂow speed and boundary layer
integrals at PS97% （ =0.36）を受けない時刻）で確認された後縁下流の高2DTKE領
域は，主として正圧面側の後縁から放出されているせん断層が巻き上がることにより生じた渦によるものである。 / =0.50から / =0.70付近では，4.2.1節にもあるように，SS99%

付近において比較的規模の大きい

渦構造が出現している時刻であるため，負圧面側後縁
下 流 で2DTKEが 増 加 し て い る。 / =0.80で はWakeがSS99%に到達している時刻であり，図中矢印で示す

ようにWakeが流入するためベース領域上方負圧面側の2DTKEが増加したと考えられる。
Fig. 23に逆流領域及び時間平均流線群を示す。非定
常条件での後縁における逆流頻度50%の位置は定常条件とほぼ同じ結果となった。しかし，逆流領域は流れ方向に拡大している（LR=1.77d）ほか，負圧面側後縁後方のFig. 19 Instantaneous spanwise vorticity component
contours around SS99% （ =0.36）

速度変動域は，正圧面側とは対照的に上部側へ拡大してー 58 ー

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Vol. 49

No. 6

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2021.11 航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―いることが分かった。また，時間平均流線群から読み取れる負圧面側の再循環の中心位置は，翼後縁から47%LR（=83%d）と定常条件より更に下流側に移動している。
一方，正圧面側の再循環領域が定常条件より拡大し，全体として上下の対称性が生じている。
Fig. 24及びFig. 25に後縁の壁面静圧計測から算出された局所ベース圧係数を示す⑻, 。ここで，⑷（θ）：局所ベース圧， ：翼列出口圧力， V ：翼列
出口速度。局所ベース圧は，Cicatelli, Sieverding の研究と同様に静圧孔つを設けた円柱（直径は翼後縁直径

Fig. 22 Phase-locked averaged 2DTKE contours around T.E.
（ =0.36）に等しい）を後縁部に取り付け，それを‑90°（負圧面側）から90°（正圧面側）の範囲で10°ずつ回転させ静圧を計測している。圧力計測には，翼列から少し離れた場所に設置した圧力変換器を用いており，約40秒間の測定値の時間平均から圧力を算出している。逆流領域での局所ベース圧係数の変化の幅は小さく，定常，非定常の両条件での差もほとんどない。一方，負圧面側では局所ベー
ス圧係数が定常条件の値から上昇（回復）しており，結果としてベース圧分布が後縁中心に関して対称性及び平坦性が出現したと見なせる。Sieverding, Manna⑵ によれば，低マッハ数流出条件下で翼後縁部での圧力分布が平坦になる理由は，翼後縁からのせん断層の巻き上がり

Fig. 23 Reverse ﬂow region downstream of T.E. with timeaveraged streamlines（ =0.36）による渦形成がベース領域から十分離れた場所で行われていることが原因とされている。このことから，定常条
件下で観測された負圧面側‑30°〜 ‑70°の圧力低下は，
剝離泡から放出される巻き上がり渦（Fig. 13）が後縁から流出することで，せん断層の早期巻き上がりに相当する効果が現れベース領域に影響を与えたと考えることができる。また，非定常条件での圧力の回復と平坦性の出現には，前述のように，翼負圧面での剝離泡がWake
通過で抑制されることが原因と考えられる。即ち，Fig.
18，19で確認されたように，Wake通過による剝離泡抑制効果とそれによる巻き上がり渦の発生頻度の減少が関与していると考えることができる。同様の現象は，Fig.
25に示すように別のレイノルズ数（

Fig. 24 Base pressure distributions for=100k

Fig. 25 Base pressure distributions for=130k=130k）でも確認されている。

．結言
本研究は航空エンジン用低圧タービン翼での翼面境界
層流れと翼後縁近傍（ベース領域）流れ場の関連性を明らかにすることを目的とし，詳細なPIV計測を実施した。
その結果，以下のような知見を得た。
⑴ 定常条件について 負圧面境界層では剝離が発生しており，剝離泡から発生する渦が翼後縁まで移流し，渦通過に伴い排除厚さや運動量厚さが非定常的に変化している。その結果，負圧面側後縁の速度変動が大きくなった。
正圧面境界層では剝離泡からの縦渦と見られる現象の通ー 59 ー
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航空エンジン用低圧タービン翼後縁近傍流れ場のPIV計測―翼面境界層流れと翼後縁近傍流れ場の関連性調査―

過に伴い排除厚さ等が変化している。しかし，正圧面側⑾期流体工学部門講演会（2019）.

圧面剝離泡からの縦渦によるベース圧損失への影響は小⑿中心に関して非対称性を有している。
⑵ 非定常条件について 負圧面境界層ではWake通過時
やWake通過後に起こる剝離や巻き上がり渦の発生が排⒀除厚さや運動量厚さの変化を引き起こしている。後縁の逆流頻度50%の位置は定常条件と同一であったが，後縁の速度変動はこれら負圧面境界層の挙動の影響を受け，⒁

局所ベース圧係数も定常条件の値から上昇（回復）した。
その結果，後縁まわりの静圧分布は後縁中心に関して対称性を回復している。
⒂

これらの結果から，今回報告した実験条件においては後縁近傍での負圧面境界層の挙動とベース圧損失は関連性が高いと考えられる。
今後の展望として，レイノルズ数や主流乱れ，ストローハル数を変更した試験を行うほか，正圧面側前縁近傍での剝離点近傍の流れ場及びそれに起因する流動現象等を調べていく計画である。

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