ブックタイトルマツダ技報　2016 No.33

概要

マツダ技報　2016 No.33

マツダ技報No.33(2016)平均ガス温度??は,圧力変換器から得られたチャンバー内の平均ガス圧力?から気体の状態方程式により算出した。ピストンが???? ?0(下死点)から圧縮を開始して,???? ? 212??において最高圧力2.55MPa ,最高温度576Kに達する。その後,ピストンは???? ? 220??において上死点(TDC)に到達し,???? ? 440??において再び下死点に戻る。2.2高速μPIV計測システムFig. 4に,遮熱壁近傍のガス速度分布計測のための高速μPIV計測システムを示す。光源である532nmの発振波長をもつダブルパルス・半導体励起Nd:YAGレーザー(LeeLasers製LDP-100MQG)のレーザー光をシート状にして10kHzの繰り返し周波数でチャンバー内に導入した。計測エリア内の所定の流速範囲に対応できるように二つのパルス間の時間差を7μsとした。トレーサー粒子からの側方散乱光を明視野用対物レンズ(ミツトヨ製M Plan Apo5×)を通して,高速度ビデオカメラ(フォトロン製FASTCAM SA-X2)によって,壁から約3mmまでのエリア内において毎秒20,000フレームで撮影を行った。トレーサー粒子には,多孔質中空シリカ粒子(鈴木油脂工業製ゴッドボールB-6C)を用いた。この粒子は,平均粒子径が2.0~2.5μm,かさ密度が180~450kg/m3と微小かつ軽量である。トレーサー粒子は,所定量をあらかじめRCEMのピストン頂部にセットした。Fig. 5に,本計測システムで撮影したトレーサー粒子の典型的な散乱光画像を示す。レーザーシートの反射光が観察されている部分がチャンバーの壁位置に相当する。図より,壁の極近傍においてもトレーサー粒子が良く補足されている様子が分かる。このようにして得られたトレーサー粒子の散乱光画像に対して,汎用PIV解析プログラム(西華デジタルイメージ製Koncerto II)を用い,?方向および?方向の瞬時速度?および?の分布を算出した。この時の検査領域のサイズは,縦24pixel×横16pixel,検査領域のオーバーラップは縦66%×横50%とした。変動速度?′および?′は,式(1)に示すように,μPIV計測による瞬時速度?および?とカットオフ周波数以下の低周波速度成分である平均速度?および?の各差分として定義した。ここでカットオフ周波数は,速度エネルギースペクトルが変曲点を示す周波数(14)である150Hzとした。?? ? ? ? ? , ?? ? ? ? ? (1)壁面せん断応力のうちで乱流寄与項に相当するレイノルズ応力?′?′は,式(1)を用いて以下の式(2)のように表せる。?′?′? ?∑?? ???????? (2)??は平均区間内データ数であり,ここでは??30である。また,乱流エネルギー?は,次の式(3)により算出した。???′? ??′? (3)ここで, ?′?および?′?は,次の式(4),式(5)でそれぞれ表すことができる。?′? ? ? ?∑? ? ?? ? ??? (4)?′? ? ? ?∑? ? ?? ? ??? (5)以上の解析処理に当たっては,市販の数値解析ソフトウェア(MathWorks製MATLAB)を使用した。Double Pulse LaserAmp.(Temp.)AD ConverterChamber WallAmp.(Press.)ChamberFig. 4 Schematic Diagram of Fast Micro-PIVMeasuring System1.0mmWall SurfaceSignal AnalyzerFig. 5 Typical Scattering Light Image from Silica Particles3.実験結果および考察Objective LensHigh SpeedVideo CameraPIV AnalyzerFlow Direction3.1遮熱壁における壁温計測結果Fig. 6に,薄膜積層熱電対による壁温計測結果を示す。圧縮上死点である???? ?220??の位置では,金属壁の場合の壁温が303Kまでしか上昇していないのに対して,遮熱壁の場合の壁温が353Kとなっており,遮熱壁の場合が金属壁に対して50Kほど高い壁温上昇を示している。これは遮熱材が持つ低熱伝導かつ低比熱の効果が現れたためであり,この壁温上昇分だけ平均ガス温度との差が縮小するために熱損失の低減に有利であるといえる。Fig. 7に壁温計測結果から求めた熱流束の算出結果を示す。熱流束は非定常1次元熱伝導方程式をコントロールボリューム法の完全陰解法に離散化方程式解法を用いて算出-102-