RESEARCH

Group-2  Micro water turbine, VIV (Vortex induced vibration) 　


NOVEL!, FUN!, INTERESTING!  Micro water generator

　本研究室では高専の学生が得意とするメカトロ二クスと細谷の専門である環境流体分野の研究を組み合わせ，マイクロ水車の試作を行っています． いわゆる軸流タービンなどの高効率水車の設計は専門外のため，ユニークで学術的に見て面白いメカニズムを 最優先に取り組んでいます．エネルギー変換効率や水車効率は二の次ということになりますが，それでは世の中の役には立ちません．そこで水車の 設置フィールドを沿岸域や漂流物の多い水路，落差が小さい緩勾配水路など，回転するタービンにとって厳しい場所に置く水車に焦点を当てています．
 2016年までに開発した水車は泳ぐ魚のように往復運動する往復振動翼水車と古典的ですが 円柱後流の渦による励振を利用したVIV(Vortex induced vibration)やFIV(Flow induced vibration)について，いかに共振を維持するかに焦点を当てて研究を進めてきまし た． また，振動から電力を得る方法として，圧電素子を弾 く”Flicking piezo generator”を開発しました．2016年には自治体の 協力を得て短期実証試験も行い，常夜灯などの応用が可能であることを確認しました．現在はさらに一歩進め，先端のロボット研 究と航空技術を取り入れた共振維持方法を研究中です．
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 BANANA Drive?  Longitudinal vortex driven water turbine 　2017-

　十字交差された円柱から発せられる縦渦により駆動される水車について研究を行っています．長岡技科大の高橋先生グループが開発された”縦渦リニア ドライブ風車”はこれまでの風車の駆動特性と大きく異なり，なにより，縦渦を利用するユニークな動作原理は流体屋からするととても魅力的です．本研究室で は複雑な縦渦の全体像の可視化や，これまでに提案されていなかった機構を学生と一緒に考えています．　定期的に長岡技科大とミーティングを行い，よりよい 技術を目指しています．ちなみに本研究室では文字通りバナナが泳ぐ「BANANA DRIVE」をつくったりと大真面目に楽しく取り組んでいます．

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SCHOOLING PIEZO FANS　2017-
　千鳥配置された魚ロボットの後流の偏向特性に注目し，推力ではなく，送風特性に注目した研究を行っています．理解ある企業様のご厚意でこれま でに三枚のPZTファンの並べ方で縮流と分岐流とを作り出すことに成功しました．現在は実用性評価を行うとともに，流体力学的なメカニズムの解明にと りくんでいます．

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 VIV water generator and the flicking piezo generator

　φ25㎜のアルミ円柱を板バネで支持した装置です．共振を維持するために板バネをクランプするローラーを付け，支点による長さ調整により，幅広い 流 速帯での共振を実現しています．



　機構自体はシンプルで農業用水路への設置は容易です．しかしながら漂流物や乱れのある流れ場でも振動するのかが疑問として残ります．そこで回流水 槽 に乱流格子を付けて実験を行ったところ，意外にも乱流強度が8%でも十分に振動することがわかりました．その後，実際の水路で試験したところ乱れもな んのその，元気に振動しました．

　
フリッキング発電はPZTシートを振動円柱の接続棒が弾くもので，屈曲，伸長，素子の振動が作用します．


　続いては，周期数秒で流速が変化する摂動流中でも使えるのか？これを解決するために造波水槽にPLCを接続して作り出した摂動流での振動を調べま した．FFTでは複数の 振動ピークが見られたため，振動周波数が変調していることが考えられます．WAVELET解析をおこなったところ，変調の様子が明瞭に表れま した．現在はフリッキング発電装置を付けた状態や水深が10㎝程度と浅い流れ場での振動特性を調査中です．
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Oscillating Wing Water Generator 　　往復振動翼水車と新規アイデア

　往復振動翼です．２～３枚の翼素が接続され，往復運 動をクランクで回転運動に変換します．この往復振動翼自体は新しいものではなく（現に論文を投稿しても内容が古いとリジェクト），新たな工夫 が必要です．

　　

　国際会議でのProceedingは採択されましたが，Journal論文は未だ通せず・・．一方，水車の動きはユニークなためか動画サイトでは 結 構な閲覧数を得ています．またMake誌のWEB版でも紹介されたよう です．


新しい受動翼の採用
　翼の後端に出っ張りがある魚型翼を受動翼水車に用いる工夫を行っています．この翼形は船のラダーに使用されるなど乱れの中でも十分な揚力を発生す る ことから，乱れに強い受動振動翼が実現できるかも？というのが発想の元です．2015年度に静止翼に係る揚力と抗力を調べたところ，高迎角で良い性能 を発揮しました．

現在，往復振動翼水車の回転特性を調査中です．
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FLOW VISUALIZATION TECHNIQUE and ANALYSIS
　流体工学実験には計測 手法が重要です．本研究室では複雑な流れ場の可視化やPIVを用いた非接触計測，さらには主成分解析を用いた支配的な流れ構造の抽出 に取り組んでいます．この他に，造波水槽における砕波帯の波と流れの可視化も行いました．

PIV Detected complex flow pattern in tube banks, Principle component analysis (2000～）
　細谷が鳥取大学の大学院生だったころの研究です．当時はPIVが普及し始めたころでした．円管群を過ぎる流れ場のPIV計測は局所的なものしかな く，本研究は非常に画期的 だったようです（可視化情報学会より論文奨励賞をいただきました）．PIVを行うために円管群の影の影響を除去するために工夫を行ったの ですが，それでもPIV結果には誤ベクトルが多く含まれていました．また，規則的な渦発生のトリガーとなるファクターも未解明でした．そ こで流速ベクトルの主成分解析（POD法）による解析を行ったところ・・・・．

　
　流れ場の可視化画像です．

　PIVによって得られた平均流速場です．（右から流速ベクトル場，流速コンター，渦度 場）
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Portable small wave tank

　公開授業や沿岸用ROVの水理実験などに活用するため可搬可能な小型回流水槽を製作しました（2009年）．完全な手作りの水槽ですが，2016 年現在も元気に動きます． 水槽は長さ2m，幅1m，高さ0.5mで造波性能は波高5㎝程度の進行波を周期1秒で発生します．　離岸堤による波の回折や離岸流の再現など，簡 単な実験ではありますが使用できました．

 
　上の図は波高と流速を計測した結果です．位相平均法により整理した流れ場・水位です．砕波帯でのROVの走行試験などには使えそうです．一方で長 さが 短いことから進行波が正弦波状ではなくやや崩れた波高分布であることもわかりました．漂砂実験など定量的に波の影響を調べる用途には向かないようです．

　なお，本水槽を動画サイトで紹介したところ，意外と閲覧数があり1000件以上のカウントがありました．日本国内だけでなく，インドネシアや台湾 な ど津波被害が心配される国からの閲覧も多いようです．遠くは南米からのコメントも頂きました．このような科学技術に関する情報は積極的に共有してお互 いのお役に立てば良いと思います．ページのトップへ戻る


OTHER, TWO COLORED PIV  (2012)

 近年，PIVは２Dから３Dの時代に移りつつあります．しかし依然として高価なのがネックです．そこで，新規な開発ではありませんが， 手 持ちのレーザー光源を使ってキャビティーフロー内の３DのPIVに挑戦しました．残念ながら，素人の手作り装置では限界があり，三次元の流れ場まで求 めることはできませんでしたが，二色の光源で得られた画像は容易に分離でき，それぞれPIV計測することができました．




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