「実験的評価値に基づくプラズマアクチュエータ駆動条件の設計探査」進化計算シンポジウム2012

1. 実験的評価値に基づくプラズマアクチュエータ駆動条件の設計探査
金崎雅博 † ，松野隆 ††，前田健吾‡，川添博光††
はじめに 首都大学東京†，鳥取大学††，鳥取大学大学院‡
航空機の空力制御 本研究で対象とするPA
プラズマアクチュエータ(Plasma actuator: PA)とは？
 低速飛行時の高揚力・剥離制御→フラップ・スラット  電極と不導体を用いて，その間に交流電圧を印加するこ  誘電体バリア放電(Dielectric Barrier Discharge:
 高速飛行時の衝撃波→翼型の工夫など とによって空気を電離させて生まれるジェットを流体制御 DBD)を用いたPA （DBD-PA）
に利用
➔重量増加・騒音の低減など厳しい制約  交流電圧はＰＷＭ（Pulse Width Modulation）駆動
 小型・軽量に製作可能，機械的な駆動が少ない
 高動圧・大スケールの流れでの空力制御力が必要
https://twitter.com/akumas614
 空隙による音響
スラット 藤井孝藏，松野隆 「DBDプラズマアクチュエータ -バリア放電を利用した新しい流体制御技
術」日本機械学会，流体工学部門，ニューズレターながれ， 2007年．
 機械的駆動
フラップ
PA利用の課題 本研究の目的
PA配置・駆動条件を如何に最適にするか！ 実験的評価値に基づいたプラズマアク 1
 モジュレーション周波数： f mod  T [Hz]
 PWMによる電圧印加が効果的であることがわかって チュエータ駆動条件最適化システムの 交流電圧の周波数fp に対して5%周期の波形をxm
1
いるが，最適な電圧印加条件などは不明確 開発と有効性の実証 回生成する機器を用いることから，fmodは次のよう
に書ける． fp
➔ 進化計算法で発見したいが… → f mod  [Hz]
 最適化法が提示する入力条件と風洞試験が提示す 20 xm
 高精度な解を得るためには，数秒の現象をコンピュー る評価値を直接的にリンク，自動化 T2
 100  [%]
 デューティ比： Dcycle
T1
タシミュレーションで数時間以上 （最適化の結果に従って風洞を自動で駆動）
 風洞試験の評価を最適化ループに反映できれば…  半円柱を用いた抵抗を最小化問題による実証
最適設計システムの概要 システム検証問題
設計対象と風洞試験の条件
 半円柱にかかる抵抗値の最小化
 2つのPAを設置（半径100mmの半円柱上，85deg., と115deg. ）
 印加交流電圧22kVpp，主流速度5m/sec. (Re=0.65×105)
PA非駆動時の流れ(CD = 0.456)
*CD：抵抗係数(Drag Coefficient)
最適化問題
最適設計アルゴリズムと風洞実験のデータフロー  目的関数
Kriging based MOGAによる最適化 Minimize CD (Drag coefficient)
 NI LabVIEWTMによるデータフローの制御
(Efficient Global Optimization: EGO)
 最適化ループを自動化  設計変数
2 .0 ≤ xm ≤ 90.0
設計探査結果 10.0 ≤ Dcycle ≤ 70.0
DesA
Initial samples DesB
Additional samples DesC
xm Dcycle CD
 PA駆動がある全試験条件で抵抗低減
xm
 試験18回程度で最適な抵抗低減条件を発見（総当たり的実験では1000回以上要する．）
x m [-] D cycle [%] f mod [Hz] C D
 試験コストを98%以上削減！
CD Dcycle
DesA 2.0 60.0 400.0 0.2985
DesB 15.0 25.0 53.3 0.3272
 DesAではxmが小(= T1が小)， Dcycleは大 → 小まめなon/offが効果的 DesC 88.0 55.0 9.1 0.4105
 DesBはDesAよりxmが大， Dcycleは小 → onの時間が短くとも効果的な条件 最終実験結果及び流れ場と
 総電力をDesAよりも減らしつつ，効果を得る事の出来る駆動条件を発見 空力係数の比較
 大域的手法によって局所的な最適解も取得
散布図行列による設計問題の可視化
 xmとCDに相関関係，Dcycle とCDには相関が見られず
まとめ
 進化計算法によりプラズマアクチュエータの駆動条件の最適化を実験的評価値に基づき自動的に
行うことが出来る新たなシステムを開発
 進化計算による最適化手法と風洞のデータをリンクさせることによる完全自動化
 試験コストを大幅に削減！
 半円柱周りの抵抗低減効果が大なるPA駆動条件の探査により風洞システムの検証
Contact: kana@sd.tmu.ac.jp  大域的に解を発見，多峰性がある問題である事などを理解