太田　有 (オオタ　ユタカ)

写真a

所属

理工学術院 基幹理工学部

職名

教授

ホームページ

http://www.ohta.mech.waseda.ac.jp

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兼担 【 表示 ／ 非表示 】

  • 理工学術院   大学院基幹理工学研究科

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学内研究所等 【 表示 ／ 非表示 】

  • 2020年
    -
    2022年

    理工学術院総合研究所   兼任研究員

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学位 【 表示 ／ 非表示 】

  • 早稲田大学   工学博士

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所属学協会 【 表示 ／ 非表示 】

  • 　
    　
    　

    AIAA（米国航空宇宙学会）

  • 　
    　
    　

    ASME（米国機械学会）

  • 　
    　
    　

    可視化情報学会

  • 　
    　
    　

    日本ガスタービン学会

  • 　
    　
    　

    ターボ機械協会

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研究分野 【 表示 ／ 非表示 】

  • 流体工学

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研究キーワード 【 表示 ／ 非表示 】

  • 流体機械、数値流体力学、空力音響、非定常空気力学

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論文 【 表示 ／ 非表示 】

  • The Influence of Compressor Airfoil Shape on the Unsteady Loss Produced by the Mixing of Incoming Wakes

    Pallot, G, Kato, D, Ohta, Y

    ASME Turbo Expo 2015   GT2015-43801  2015年06月

  • Unsteady Behavior and Control of Vortices in Centrifugal Compressor

    Yutaka Ohta, Nobumichi Fujisawa

    JOURNAL OF THERMAL SCIENCE   23 ( 5 ) 401 - 411  2014年10月  [査読有り]

    　概要を見る

    Two examples of the use of vortex control to reduce noise and enhance the stable operating range of a centrifugal compressor are presented in this paper. In the case of high-flow operation of a centrifugal compressor with a vaned diffuser, a discrete frequency noise induced by interaction between the impeller-discharge flow and the diffuser vane, which appears most notably in the power spectra of the radiated noise, can be reduced using a tapered diffuser vane (TDV) without affecting the performance of the compressor. Twin longitudinal vortices produced by leakage flow passing through the tapered portion of the diffuser vane induce secondary flow in the direction of the blade surface and prevent flow separation from the leading edge of the diffuser. The use of a TDV can effectively reduce both the discrete frequency noise generated by the interaction between the impeller-discharge flow and the diffuser surface and the broadband turbulent noise component. In the case of low-flow operation:a leading-edge vortex (LEV) that forms on the shroud side of the suction surface near the leading edge of the diffuser increases significantly in size and blocks flow in the diffuser passage. The formation of an LEV may adversely affect the performance of the compressor and may cause the diffuser to stall. Using a one-side tapered diffuser vane to suppress the evolution of an LEV, the stable operating range of the compressor can be increased by more than 12 percent, and the pressure-rise characteristics of the compressor can be improved. The results of a supplementary examination of the structure and unsteady behavior of LEVs, conducted by means of detailed numerical simulations, are also presented.

    DOI

  • Visualization of Unsteady Internal Flow under Surge and Rotating Stall in an Axial Flow Compressor using Double-Phase-Locked Averaging Technique

    Mitsui, H, Oka, S, Ohta, Y

    5th Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Sciences    2014年09月

  • Unsteady Behavior of Leading Edge Vortex and Diffuser Stall Inception in a Centrifugal Blower with Vaned Diffuser

    Fujisawa, N, Hara, S, Yutaka, O, Goto, T

    ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting   FEDSM2014-21242  2014年08月  [査読有り]

  • The Influence of Stator Design on the Rotor Wakes Recovery Process

    Pallot, G, Kato, D, Hoshino, W, Ohta, Y

    Asian Congress on Gas Turbine   ACGT2014-0088  2014年08月

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受賞 【 表示 ／ 非表示 】

  • Best Visualization Award of ASV2011

    2011年07月  

  • ASME 2002年Best Paper Award

    2002年06月  

  • 日本機械学会賞 研究奨励賞

    1990年02月  

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共同研究・競争的資金等の研究課題 【 表示 ／ 非表示 】

  • 衝撃波管を用いた軸流圧縮機のサージ・旋回失速共存系の挙動とウインドミル特性の把握

    研究期間:

    2015年04月
    -
    2018年03月
     

    　概要を見る

    軸流圧縮機の非設計運転状態における非定常現象と損失発生機構の解明を目的として，実験および数値解析研究を実施した．研究の焦点を(1)低流量域において発生するサージ，旋回失速共存状態の非定常挙動の把握と，(2)高流量域におけるウインドミル駆動時の非定常流れ場の把握と損失構造の解明に当てた．(1)については，失速発生時のサージ挙動が流れ場の構造によって決定されていることを実験的に示した．一方，(2)については，各種ウインドミル状態での損失構造を非定常数値解析によって明らかにした．軸流圧縮機の非設計状態での非定常挙動を実験および数値解析により明らかにし，幾つかの新しい知見を得ることができた

  • 衝撃波管を用いた軸流圧縮機のサージ・旋回失速共存系の挙動とウインドミル特性の把握

    基盤研究(C)

    研究期間:

    2015年
    -
    2017年
     

  • 衝撃波管を用いた軸流圧縮機のサージ・旋回失速共存系の挙動とウインドミル特性の把握

    基盤研究(C)

    研究期間:

    2015年
    -
    2017年
     

    　概要を見る

    軸流圧縮機の非設計運転状態における非定常現象と損失発生機構の解明を目的として，実験および数値解析研究を実施した．研究の焦点を(1)低流量域において発生するサージ，旋回失速共存状態の非定常挙動の把握と，(2)高流量域におけるウインドミル駆動時の非定常流れ場の把握と損失構造の解明に当てた．(1)については，失速発生時のサージ挙動が流れ場の構造によって決定されていることを実験的に示した．一方，(2)については，各種ウインドミル状態での損失構造を非定常数値解析によって明らかにした．軸流圧縮機の非設計状態での非定常挙動を実験および数値解析により明らかにし，幾つかの新しい知見を得ることができた

  • 軸流圧縮機の過渡失速特性と能動失速制御法に関する衝撃波管実験と数値解析研究

    基盤研究(C)

    研究期間:

    2008年
    -
    2010年
     

    　概要を見る

    軸流圧縮機下流側に衝撃波管を接続した試験設備を設計製作して,圧縮波の印加に伴う圧縮機翼列の非定常挙動と系の全体挙動を実験的に調査した.圧縮波の印加に伴い動翼列は過渡的に失速状態に突入し,動作点の違いによって複雑な非定常回復過程を示す.特性曲線勾配が負となる安定作動点での運転時に圧縮波を印加した場合でも,系は失速・サージへと突入する場合が存在する.また,大規模なサージ周期に合わせて,翼列内で失速セルが旋回する状態が観察され,旋回失速とサージが流れ場で密接に関連していることを示した.

  • 軸流圧縮機の過渡失速特性と能動失速制御法に関する衝撃波管実験と数値解析研究

    基盤研究(C)

    研究期間:

    2008年
    -
    2010年
     

    　概要を見る

    軸流圧縮機下流側に衝撃波管を接続した試験設備を設計製作して,圧縮波の印加に伴う圧縮機翼列の非定常挙動と系の全体挙動を実験的に調査した.圧縮波の印加に伴い動翼列は過渡的に失速状態に突入し,動作点の違いによって複雑な非定常回復過程を示す.特性曲線勾配が負となる安定作動点での運転時に圧縮波を印加した場合でも,系は失速・サージへと突入する場合が存在する.また,大規模なサージ周期に合わせて,翼列内で失速セルが旋回する状態が観察され,旋回失速とサージが流れ場で密接に関連していることを示した

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講演・口頭発表等 【 表示 ／ 非表示 】

  • 部分流量における遠心送風機内部流れのLES解析

    日本機械学会流体工学部門講演会  

    発表年月： 2014年10月

  • 羽根付きディフューザを有する遠心圧縮機に発生する失速と前縁渦の関係

    第42回日本ガスタービン学会定期講演会  

    発表年月： 2014年10月

  • 軸流圧縮機におけるサージ・旋回失速共存系の非定常内部流動の可視化

    第42回日本ガスタービン学会定期講演会  

    発表年月： 2014年10月

  • Unsteady Behavior and Control of Vortices in Centrifugal Compressor

    5th Asian Joint Workshop on Thermophysics and Fluid Sciences  

    発表年月： 2014年09月

  • 自走式移動ロボットを用いたコンクリート構造物の強度推定（第1報，コンクリート強度の推定手法）

    日本機械学会メカトロ部門講演会  

    発表年月： 2014年05月

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特定課題研究 【 表示 ／ 非表示 】

  • 衝撃波管を用いた軸流圧縮機のサージ・旋回失速共存系の挙動とウインドミル特性の把握

    2015年  

    　概要を見る

    衝撃波管を備えた2段軸流圧縮機に対して，圧縮波・膨張波を印加した際の非定常挙動と，その後に発生するサージ下での旋回失速に関して実験的調査を実施した．特に，サージサイクルが不規則に変化する過程が翼列内流れ場に影響を受け，動翼列内に形成される流路ブロッケージによって次サイクルが決定されることを示した．また，大流量運転時には，圧縮機がタービン作動するウインドミル状態が観察され，動・静翼列内流れは共に翼圧力面側で大剥離する非定常流れとなる．その際，損失の多くが静翼圧力面での剥離に起因していることを実験的に明らかにし，翼スパン方向に軸を持つ非定常渦が相対的に逆方向に旋回していることを示した．

  • 遠心型ターボ機械に発生する旋回不安定擾乱の挙動と旋回失速の予兆現象

    2011年  

    　概要を見る

    旋回不安定擾乱は，軸流圧縮機や軸流送風機を部分流量条件で運転した際に発生する非定常現象として知られており，動翼翼端隙間が広い場合に動翼面上の圧力差に基づいて発達する翼端漏れ渦が非定常的に変動するために発生する．一方，遠心型流体機械でも，側板のない羽根車の隙間近傍に発生する非定常渦が原因となって発生することが報告されているが，隙間が全く存在しない側板付羽根車を有する遠心型機械での発生は報告例がない．本研究では側板付遠心送風機においても，旋回不安定擾乱が発生することを見出し，その原因が羽根車出口子午面内を周方向に旋回する渦であることを確認した．本実験では，低比速度かつ大風量の遠心送風機を用い，羽根車出口流速の非定常計測，ならびに外部騒音圧の計測を行った．また，定常と非定常の2種類の自作コードを用いた送風機内部流れ場の数値解析を併行して行い，内部流れ状況と渦の挙動や関連を調査した．遠心送風機の低流量運転時には，流速波形や外部騒音のスペクトル波形に翼通過周波数成分の約半分の緩やかなバンド幅上昇が観察された．しかも，騒音と流速のスペクトルでは，その発生周波数が異なり，互いに翼通過周波数の半分を中心としてほぼ対称の分布傾向を示した．この特徴ある分布傾向を説明するためには，この非定常現象の原因や音源が固定ではなく，相対的に移動していることが必要であり，音源が羽根車周囲を旋回する渦である可能性が指摘された．さらに数値解析結果より，羽根車子午面内に低流量域でゆっくりと旋回する渦が確認された．そこで，羽根車出口複数点に熱線流速計を設置して同時計測を行い相関解析を実施した．その結果，羽根車外周を旋回する渦は，舌部下流側で初生し，緩やかに成長しながら旋回速度を低下させ，その後，緩やかに減衰しながら加速して舌部近傍で消滅することが明らかとなった．上記のように，本研究では側板付の羽根車を有する遠心送風機に旋回失速が発生することを実験的・数値的に示し，その原因が羽根車外周を周方向に旋回する渦であることを確かめた．

  • 遠心型ターボ機械の内部流れおよび騒音の発生機構と特性に関する研究

    2002年   吉岡　英輔

    　概要を見る

    遠心型ターボ機械から発生する空力騒音を対象として，実験的および数値的研究を実施した．実験では，低圧産業用遠心送風機と，高圧過給機用遠心圧縮機の2種類の実験対象を準備し，それぞれを比較・検討できる体制を作り上げた．まず，低圧用送風機に関しては，従来の研究成果を基に，翼通過周波数基本成分と高次成分とを同時に制御する新方法を提案した．この制御法の特徴は，幾何形状を変化させることで騒音伝播系の特性に影響を与えて騒音を受動的に制御する方式と，音源の詳細な把握に基づいて能動的に圧力変動をキャンセルし，音源特性そのものを変化させる方式とを併用する点である．音源振幅が著しく大きい翼通過周波数基本成分に関しては受動制御方式が，高次成分については能動制御方式が極めて有効であることを実験的に確認した．この制御方式の採用によって，低圧遠心送風機の翼通過周波数騒音は，基本成分と高次成分をそれぞれ同時に20dB程度低減することが可能となり，騒音スペクトル上に現れる顕著な離散周波数成分を，ほぼ広帯域成分のレベルまで減じることが出来た．次に，高圧過給機用遠心圧縮機の発生騒音は，その構造上低圧の場合とは著しく騒音特性が異なり，羽根車吐出流とディフューザ案内羽根との干渉に起因する離散騒音成分が支配的となることがわかった．このため，干渉騒音が発生し，羽根車，ディフューザ，吸込管路を伝播して系外へ放射される物理過程を，一次元音響波の線形重ね合わせモデルによって推定する試みを行った．この結果，比較的周波数が高く，一次元平面波の仮定が困難となる周波数帯を除けば，モデル値は実験値と概ね一致する傾向を示した．しかし，360Hz付近に著しく音圧が減少する傾向が認められ，その特徴が音源自体の周波数特性と定性的に一致することから，双極子音源の特性自体を再検討する必要性が示される結果となった．一方，数値解析研究はまずその準備段階として，低圧遠心送風機と高圧遠心圧縮機の翼間流路を計算対象として，RANSによる計算コードの構築を開始した．この際，翼面上の流れの剥離が発生騒音に大きく影響することを鑑み，MenterのSST乱流モデルを導入することを検討している．

  • 遠心型流体機械の発生騒音低減化法の開発

    2000年  

    　概要を見る

    　遠心型流体機械は、軸流型と比べて内部構造が複雑で、流れも三次元性が強いという特徴を有しているため、その発生騒音に関する研究や調査はあまり行われていないのが現状である。本研究は、遠心型流体機械のうちで最も汎用的に使用されている送風機を取り上げ、その発生騒音を最も強く支配する翼通過周波数（BPF）成分について有効な評価法および低減化法の提案を指向する。従来の研究成果より、騒音の低減化法としてその有効性が指摘されている手法は大きく分けて、能動制御と受動制御の二種類である。このうち、BPF高次成分に対して極めて有効であり、顕著な分離成分をほぼ完全な形で消失させることが可能である音源能動制御法に関しては、音源探査の煩雑さに加えて、圧力振幅レベルの高い高回転数域において、BPF基本成分を十分に低減できないという欠点が指摘されている。この解決法に関しては、対象となる遠心送風機が市販されている安価な製品であることを鑑みて、大振幅の二次音源採用を考えるよりも、幾何形状の変化によって十分な音圧レベルの低下が期待される受動制御法の採用により、有効かつ実用的に騒音低減が図られた。これは、能動制御法と受動制御法の併用による新たな騒音低減化法の提案となるものである。具体的には、音源能動制御法をBPF2次以上の高次成分に適用し、基本成分に関しては騒音伝播系の特性を考慮した受動制御法を適用する。騒音の有効伝播経路は、翼間通路および吸込管路であり、これらの特性を一次元波動モデルによって記述することで、騒音伝播系の周波数特性を表す周波数応答関数を実験的、およびモデルより算出した。両結果は高い精度で一致し、仮定した騒音伝播経路の正当性を証明することができた。この周波数応答関数が極大減衰を示す周波数と、BPF基本成分の発生周波数を一致させることで、音源特性とは無関係に、騒音の伝播経路のみで有効に音圧レベルを低下させることが可能となる。実際には、翼枚数を変化させるか、吸込管路長を変化させるかの二通りが考えられ、実験の容易さを考慮して、本実験では吸込管路を詳細に変化させた。以上の結果より、遠心型送風機の発生騒音を最も強く支配する翼通過周波数成分に対して、基本成分は受動制御により約15[dB]、二次・三次の高次成分に関しては広帯域成分の音圧レベルまで低減することが可能となった。系全体の総騒音圧に対しても、本手法は極めて有効で、OA値で10[dB]以上という従来の結果には無い高いレベルの低減が可能となった。

  • 遠心型気体機械の静粛化に関する研究

    1999年  

    　概要を見る

    　遠心型気体機械の代表例である送風機を対象として、発生騒音の主要成分である翼通過周波数(BPF)成分の音源部位を考慮した静粛化法を開発し、その有効性を実証した。まず、音源と考えられていた渦形室舌部近傍の壁面圧力変動と外部騒音圧変動との間で相関解析を行うことで、BPF1次および高次成分の有効な音源領域を確定した。音源領域は舌部近傍のごく限られた領域に限定されていること、およびBPF１次成分と高次成分では音源領域が微妙にずれていることが明らかとなった。それぞれの音源部位に圧電型振動子を直接取り付けることで、音源の圧力変動に対して逆位相となる信号を付加し、BPF1次成分と高次成分をそれぞれ独立に15dB以上も低減できることを示した。これにより、送風機外部騒音スペクトル中に認められた顕著な分離成分ピークは広帯域成分レベルに埋没する程度に減衰し、送風機系全体を効率良く静粛化することが可能となった。この際、音源の圧力振幅が大きい１次成分に関しては、圧電型振動子の直接加振のみでは十分な振動加速度が得られなかったため、板バネの特性を生かし、てこの原理を用いた変位増幅機構を設計製作し、実験に使用した。上記の実験より、1次成分と高次成分の音源領域がわずかにずれていることが明らかとなったため、2成分を同時に加振することで、分離成分の同時静粛化を指向した。これにより騒音スペクトル中の複数個の離散成分はほぼ完全な形で除去することが可能となった。しかし、高次成分の制御時には非制御下の音圧レベルが逆に数dB上昇してしまう現象が確認された。この結果より、BPF高調波成分の発生機構に関して、羽根車吐出流と渦形室舌部とのポテンシャル干渉のような線形現象に起因するものではなく、舌部表面上で誘起された微細な移流渦などが原因となり発生する非線形的な音響現象であることが明らかになった。今後は本研究で開発した制御法により得られた減音量と、騒音伝播経路の周波数特性との関係を詳細に実験することで、能動的制御法と送風機幾何形状を変化させることによる受動的制御法を組み合わせた有効な騒音低減化法を提案することを研究の焦点としたい。更に、数値解析によりBPF成分の有効音源領域がどのように決定されるのかに関しても調査を行う予定である。

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現在担当している科目 【 表示 ／ 非表示 】

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