風洞
風洞（ふうどう、英: wind tunnel, WT）は、人工的に小規模な流れを発生させ、実際の流れ場を再現・観測する装置ないし施設。発生させた流れの中に縮小模型などの試験体を置き、局所的な風速や圧力の分布・力・トルクの計測、流れの可視化などを行う。
風洞を用いたこのような実験は風洞実験あるいは風洞試験と呼ばれ、航空機・鉄道車両など高速で移動する輸送機械や、高層ビル・橋梁など風の影響を受け易い建築物の設計に用いられている。風洞実験は、流体力学全体から見ると、理論 (Analitycal Fluid Dynamics, AFD) と数値計算 (Computational Fluid Dynamics, CFD) と対比して実験流体力学 (Experimental Fluid Dynamics, EFD) と呼ばれる研究手法に位置づけられる。
概要
古くは19世紀から使用されている。
飛行機は静止した空気中を進んでいるが、飛行機から見れば空気の方が前方から後方へと流れている。そこで彼らは模型に風をあてて実験することを考えた。風洞はこのような実験のために製作された送風システムである。
流れの模擬において重要なのが、レイノルズ数とマッハ数である。模型の形状に加えて、これらの無次元数を現実と一致させれば、状態を模擬できることが知られており、これを相似則という。
歴史
イギリスの軍事工学者・数学者のベンジャミン・ロビンズ (1707-1751) は、空気抵抗を測定するために回転アーム (whirling arm) [注 1]を発明し、空力学上のパイオニア的な実験を行なった。
ジョージ・ケイリー卿 (1773-1857) も回転アームを使い、様々な翼型の空気抵抗や揚力を測定している。彼の回転アームは腕が5フィートの長さで、先端の速度は10フィート毎秒ないし20フィート毎秒を達成していた。
しかしながら、回転アームは測定対象物に対して安定した空気流を当てることが出来なかった。測定対象物は自分が後に作り出す乱流の中を動くという事実が、本来知りたい空気流による影響を評価することを困難にした。イギリス航空学会の評議委員フランシス・ハーバート・ウェナム (1824-1908) はこの問題に取り組み、1871年に風洞を発明した。ウェナムと同僚のブラウニングは揚抗比の測定、高アスペクト比翼の有利な特性など、基礎的な発見を成し遂げている。
スウェーデンのカール・ニューベリ (Carl Rickard Nyberg, 1858–1939) は風洞を用いて1897年から蒸気動力飛行機フルガンの設計に取り組んだが、満足な飛行は達成できずに終わった。
実験屋の大御所、マンチェスター大学のオズボーン・レイノルズ (1842-1912) は縮小模型の周りの空気流を実物と同じ形にするためには、ある係数に着目すべきであることを実験的に示した。その係数が現在で言う所のレイノルズ数である。
ライト兄弟も1901年に簡素な風洞装置を自作して翼型の研究を約1年間おこない、その知見を活かして3号グライダーを製作、そして革命的なライト・フライヤー1号の開発に成功した[1][2]。なお、当時アメリカでは風洞はほとんど知られていなかった。その後の航空力学・航空工学における風洞の使用は、飛行機の実用化に大きな貢献を果たした。
風洞は、大きさや気流の速度に限界がある。戦前から第二次大戦中にかけてペーネミュンデのドイツ人科学者たち（V1飛行爆弾・V2ロケットの開発者たち）は風洞を使用したが、彼らは風洞を大型化するという困難な問題を克服した。彼らの革新的な研究はドイツの航空を躍進させることに役立った。
基本構造
基本的には筒の中に、流れを作り出す送風機、流れを整える整流器、測定を行う測定部が設置された構造である。
- 送風機
- 流れを作り出す。遷音速までの比較的遅い流れにはファンが用いられ、それ以上には圧縮空気が用いられる。
- 整流器
- 流れを整えるための装置。多数の穴に流れを通し、乱れを取り除く。
- 測定部（テストセクション）
- 模型を設置し、測定を行う部分。測定部は壁がない場合と壁で密閉されている場合がある。壁がない場合、試験体の取り外しが容易で、壁による流れへの影響がない一方、外気が流れに影響を及ぼす場合がある。壁がある場合はその逆となる。
- また、模型の設置方法にも、支柱で下から支える、ワイヤーでつるす等様々なものがある。
種類
構造による分類
- 開放型風洞
- 使用した流れを外気に放出する方式。実験中の温度変化は小さいが、停止している流れを加速させるため、流れを作るのに大きな動力を必要とする。
- 回流型風洞
- 一度使用した流れを回流させて、再び使用する方式。流れを作るのに必要な動力が小さくてすむが、流れが温度変化を起こしやすい。また実験装置自体が開放型に比べて大型となる。このタイプの風洞ではゲッチンゲン型風洞と呼ばれるものが有名である。
また送風の方法として、吹き出し式・吸い込み式・両者の併用がある。
流速（マッハ数）による分類
- 低速風洞、亜音速風洞、遷音速風洞
- ファンによって流れを作り出す。最も広く普及しているタイプである。
- 超音速風洞、極超音速風洞
- ファンを用いて超音速流れを作ることは困難であるため、圧縮空気を開放する方式や、真空タンクに吸い込む方式、これらを組み合わせた方式が使用される。これらの方式では開放時の断熱膨張によって温度が急激に低下するため、ボイラー等であらかじめ空気を熱しておく必要がある。
大きさによる分類
一般に風洞の大きさは「1m×1mの風洞」というように測定部の断面積を用いて表す。ただしモータースポーツ業界では、レーシングカーの開発に利用される風洞を、実際に製造する自動車の大きさと測定に使用可能な試験体の大きさを比較した割合を用いて「50%スケールの風洞」等と表現することが多い。
その他の風洞
動粘性係数を変えるために二酸化炭素などの気体を用いたり、圧力を調節できる風洞が存在する。風洞ではないが、流体自体を水や鉱物油（ミネラルオイル）に変えた水槽も存在する。これらを利用すると、同じレイノルズ数を得るために必要な流速を抑えたりすることができる。また、風洞内床面や風洞気流温度を任意の温度に調節することのできる風洞もある（温度成層風洞）。
特徴
利点
風洞で得られる流れは普通の風に比べ乱れが少なく、安定した測定結果を得ることができる。風洞によっては流れを可視化するための装置（煙やPIV, PTVなど）や、力やトルク（モーメント）を測定する天秤が備え付けられており実験を容易にする。
欠点
- 高コスト
- 風洞自体の製造、維持コストに加え、試験体の製作コストが大きい。
- レイノルズ数とマッハ数の不一致
- 風洞実験に使用される試験体は一般的に実際のものに比べて小型となっているため、レイノルズ数とマッハ数の両者を同時に一致させることは困難である。このため実験目的によりどちらか一方のみを一致させており、厳密に相似則を満たしてはおらず、精度に欠けることがある。
- 閉塞による影響
- 風洞は一定の閉塞された空間となっている。風洞の実験空間おいて試験体が占める割合は、通常の空間において物体が占める割合に比べて極めて大きい。このとき試験体が置かれている部分では風洞の断面積が小さくなっていると言うことができ、それにより試験体回りでは一様流に比べて流速が上がる。
- 試験体以外の物体による影響
- 壁面には境界層が発達するため、これを避けるように、壁からある程度の間隔をとって試験体を設置する、といった対策が必要になる。たとえば、自動車（特にレーシングカー）の開発に使用される風洞においては、床面に形成される境界層が問題となる。これに対して、床面にベルトコンベアーのようなムービングベルトを設置することで境界層の形成を妨げることが多く行われている。
- また航空機の場合、試験体の固定のためにストラット（支柱）やワイヤーを利用するため、これによって抗力が実際よりも大きく測定されることがある。これに対しては、支柱のみの測定を行ってその値を差し引く、ということが行われている。
数値流体力学との関係
近年、コンピュータによるシミュレーション（数値流体力学, CFD）がしばしば空気力学や熱力学などの設計に利用される。これは風洞に比べてコストが小さい上、実験開始までにかかる時間も少ない（風洞は模型製作などに時間を要する）ためである。ただし、風洞は実験が始まればシミュレーションよりも高速に大量のデータを得ることができる（生産性が高い）ともされる。
このため、シミュレーションである程度目星をつけて風洞で確認する、などといったように併せて用いられるのが一般的である。
脚注
- ^ 風洞とは逆に、静止した空気中で物体を回転運動させる実験装置。「回転アーム」の訳語は『パイオニア飛行機ものがたり』（下記参照）p.43に拠るが必ずしも一般的な訳語とは限らないことに留意されたい。
