The Japan Society of Mechanical Engineers

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The 　Japan 　Sooiety 　of 　Meohanioal 　Engineers

824 日本機械 学会 誌　2000 ．12　Vol，103　 No ，985

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　大空を飛 しょうする航空機は，空気

の 壁 （抵抗）を大出力の 推進 機 で 押 し

分けて 高速 で走 り，その 時生 じる 空 気

の力 （揚力）で大重量の機体を空中に

浮かべ る ．20 世紀 の 工 学 の 中で ，流

体力学の 偉大な成果は航空機に象徴 さ

れて い るとい える，この航空機の研究

開 発を支えて きた実験設備が 「風洞＊ 1

（wind 　 tunneD 」で ある．こ れは ，送

風機で 風 の 流れを人工 的に作り，その

中 にお い た模型に作用する力やモー

メ

ン トを計測する こ とで ，実際の 航空機

の 流体力学的な特性を把握する装置で

ある ．

　風 洞がなか っ た こ ろ の 実験 は．自由

落下や旋回腕の 装置を用いて 行われた

が．計測の 困 難さや速度の 限界など問

題 があ り多くの 成果をあげるこ と は で

きなか っ た．1871年，イギ リス のフ

ラ ン シ ス・ウェ ン 八 ムによっ て世界最

初 の 風 洞がつ くられたが，そ の 有用性

が明らかになると，フ ラ ン ス ，ドイ ツ

など各国 で 次々 に風 洞が建設されたm ，

　20 世紀の幕開けとなる 1903 年 ，人

類初の動力飛行に成功 したライ ト兄弟

は ，断 面 が400m 角の 小 さ な風 洞を自

作し，主翼の翼型 （断面形状）および

操縦安定性の 検討に供したというC2］，

　 風 洞 の 形式 は 「開 放式」と 「回流式」

とに分けられる ，前者は，送風機によ

っ て 発生させた空気の流れを模型に当

て ，そ の まま排出するもの で あ D ，動

力の 損失は大き い が ，風の 乱れ の 少 な

い一

様な流れを得る こ と が 容易 で あ

る，後者は ，模型を通過 した空気流を

再 び 送風機 に 戻 す 循環式 の も の で あ

り，動力 は少な くて す むが 、乱れ の少

ない一様な流れ を得る た め に 風 路の 中

＊1「風 胴」と表記 され る こ ともある．

一38 一

に整流板を多数設置する必要が あ る ．

代表的な も の が 1917 年 ドイ ツ の ゲ ッ

チ ン ゲ ン 大 学 で つ く られ ，以 降この形

式をゲ ッ チン ゲン形風洞 と呼ん で い る

（図 1参照）’〔4｝．

　風洞で 実物 の 縮尺模型 を使 っ た 実験

を行う場合，常に問題 に な る の は ，流

体力学に お ける相似変数で あ る レイ ノ

ル ズ 数 を 実物 と一致 さ せ る こ と で あ

る．レ イノ ル ズ数 は流 れ の 慣性力 と 粘

性力との 比で 表さ れ ，物体の代表長 さ

を t，速度 を レ、空 気の 動粘性係数 を V

とし，模型を添字 m ，実物 を 添字 ρを

つ けて 表せ ば ，模型 と実物と で流体力

学の 特性 を合 わ せ る た め に は

　　　　協 △m 　怖 乙ρ

　 　 　 　 Vfn　　　 Vp

が 成 り立 た な け れ ば な らな い ．通 常 ，

風洞では大気圧 の 状態の 空 気 を使うか

ら，vm ＝vp で ，結果 と して V，nLm ＝

協 Lρとな り，模 型 の レイ ノル ズ 数 を実

物のそれに近づけるた め に は ，模型 の

寸法と風速をで き るだけ実物に近づ け

な け れ ば な らな い こ と にな る ．

　 このため，大きな実物風洞が ア メ リ

カや フ ラ ン ス で つ く られ た ，ア メ リカ

の NACA 〔National 　 Advisory

Committee 　 for　Aeronautics （国立

航空 諮問委員会）の 略，現在の NASA 〕

の 工一ム ズ 研究所 に は 縦 12m ，横24

m のだ円形吹出 し囗 を も ち ，最大風速

］OOm ／s ，36000 馬 力と い う巨 大

な 風洞 が あ る ，しか し，この よ うな風

洞実験の や り 方は ，高速化 し，大形化

して い く飛行機 の 進歩には結局つ いて

い け な か っ た ．

　 これを打破するために考案されたも

の が 「高圧風洞」であり，空気密度 を

例えば20 倍 にす る こ と に よ り レイ ノ

ルズ数を20 倍に高め る こ と がで き る ．

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ただ当然ながら建設と運転に多額の 費

用を要するため，NASA などの ほ か に

例は少な L＞cn．

　流体力学で もう一つ の重要な相似変

数が マ ッ ハ 数で ある．こ れは飛行速度

（あるいは空気の流速）と空気中を伝

搬する意波 の 速度 （音速）との 比で あ

り，空気の流れ の 圧縮性の効果を表す．

例えば，マ ッ 八数が 1とい うこ とは音

波と 同 じ速度で 飛行する状態をい う．

こ の ような流れで は，不連続的に急激

に圧力などが変化する箇所 （衝撃波）

が生じる ．衝撃波の 発生 は，ノ ズル と

呼ばれる模型前方の 形状に よっ て微妙

に変化す るた め ，実際の流れを再現す

る に は 、風洞風路 の 形状に細心 の 注意

を 払う必要がある．風洞の名称として

は，マ ッ 八 数が ］よ り小さい 領域 か ら

図 3　つ り橋の 風 洞実験の 例

　　 〔三 菱重 工 業 （株）長崎研 究所 風洞 〕

　　　（提供 ；長崎県 ）

川貢次 「高亜 彦速風洞」，「遷音速風洞」、

「超音速風洞」（図2参照）と 称 し，さ

らに は ，ス ペ ースシ ャ トルが大気圏に

再投入する時に生 じるマ ッ 八 数「O〜

20 の超高速流を対象と す る 「極超音

速風洞」がある ，

　航空機以外で は ，風洞は ，建築物

（ビル）などの風による力 （風圧）や本

州と淡路島とを結ぶ明石海峡大橋など

の 長 大 な つ り橋 の 風 に よ る 振動問題

（図 3参照），あるい は火力発電所煙突

か らの排煙の 大気 へ の 拡散問題など幅

広 い分野の 研究開発に適用されて きた．

　先に述べ たように，工 学，産業の 進

歩と共に対象とする機器 が巨 大にな り、

流体現象の相似則で あ る レイ ノル ズ数

を実際と合致させた風洞実験は 困難に

な りつ つ あ る ．しか し，レイ ノル ズ数

は若干ずれても ，風洞で流体現象を直

接観察し，また計測 で きる利点は非常

に大きく，近年進歩が目覚しい CFD

（Computat［onal 　Fluid　Dynamic ＄）’2

と併わせ補完しながら，21世紀に入 っ

てもしばらくは 「風洞」 に活躍 して も

らうことにな るも の と 考える，

砌流体の 攴配方 桿式 をコ ン ビ 1

一タ に よ り数 値

　 的 （近似的）に 解 く方法．

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