風洞の整流のメカニズム【風洞実験の仕組み】

概要

風洞設備は建築物、飛行機、自動車など模型の周りに空気を流し、模型に働く力やその周りの風の流れを計測する試験設備です。
風洞設備を使うことで、ビルに吹く強風、航空機の飛行状態、自動車の走行状態を再現できます。慣性力と粘性の比（レイノルズ数）を合わせれば、実際のサイズよりも模型が小さくても、本来の飛行状態などと同じ環境で、実験することができます。

有名な風洞

国内最大の風洞はJAXAが保有しています。測定部の幅と高さは5～6メートルです。
なお、アメリカには高さ約24メートル、幅約37メートルにもなる、巨大風洞があります。

参考文献

• JAXA の大型風洞群

風洞装置:出典

構造

風洞は、風を生み出す送風機、乱れのない流れをつくりだす整流板などで構成されます。なお、模型に働く力や表面圧力の計測には、専用の計測装置が必要となります。PIVなどで流れを可視化する場合も同様です。

風洞の構造の種類は単純吹き出し形（ゲッチンゲン型）や回流形（エッフェル型）などがあります。

風洞の構造と特長

構造	流れ	構造	動力	温度
吹き出し形	やや安定	単純	大きい	安定
回流形	不安定	やや複雑	小さい	不安定

整流

上記で述べた通り、風洞には送風機が使われますが、回転する羽根によって生じた気流は旋回しています。風洞で使う場合、旋回した気流のままでは意図した測定にならないため、測定物の正面に対して真っすぐな気流（風洞の断面な垂直な気流）を作り出す必要があります。そこで使われるのが、整流板で、形状はベーン、ハニカム、メッシュなどがあります。
旋回している流れも、ベーンやハニカムなどの壁面に衝突した後は壁面に沿って流れます。これによって、風洞の断面に対して垂直な気流が作られます。なお、整流板の下流にある縮流胴にも整流の効果（特に風速分布を均一にするという効果）があります。

風洞実験

風洞実験は、模型に働く力（揚力や抗力など）や表面圧力などを計測するのが一般的です。その他、空気の流れを可視化するPIVなども風洞を使った実験も行われます。

メカニズム

風洞実験は、実際の環境(速度、温度、サイズなど)と模型の環境におけるレイノルズ数を一致させる必要が御座います。レイノルズ数が一致していれば、実機と模型は、周囲の流れが等しくなります。

レイノルズ数は、v×L÷ν、です。vは速度、Lは代表長さ、νは代表長さです。
例として自動車について考えます。このとき、模型を本来の自動車のサイズの5分の1で作成したとします。例えば10m/sで走る自動車の走行を風洞で再現する場合、風洞からでる風の風速を実際の走行の5倍に設定すれば、レイノルズ数が一致します。