課題 プラズマアクチュエータ 背景 　近年，水や空気を駆動させるデバイスとして，電気流体デバイスが注目されている．代表的なものには誘電体バリア放電，コロナ放電を用いたデバイスなどがある． まずは誘電体バリア放電について，デバイスは2枚のシート状の電極およびそれに挟まれた誘電体より構成されており，高電圧の交流を印加することで誘電体表面に放電が生じ，流れが発生する． 次にコロナ放電について，デバイスとしては，陽極と陰極が形状的に非対称で，片方の電極にエッジがあれば良いのでデバイスの自由度が高いことが特徴である．また，直流電源で駆動するため電源設計も容易である． Figure 1. 誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ(DBD-PA). Figure 2. コロナ放電プラズマアクチュエータ(CD-PA). 　誘電体バリア放電式はその小型で平坦な形状から，流体制御分野で注目されている． 構造物に張り付けることで剥離低減等の効果があり，研究例としては航空機翼の剥離低減や円柱周りの流れの制御などがある． コロナ放電式は3次元的な形状が多く考案されているが，平坦な形状の研究例は少なく，誘電体バリア放電式のような流体制御分野での応用例は少ない． また，針対平板電極において，針電極の曲率半径が小さい方が高性能になることは分かっているが，平板電極の最適形状は明らかになっていない． 目的 　本研究では，以上の2つの放電形式による流れ場特性の違いを明らかにし，プラズマアクチュエータの性能にどのような影響を及ぼすのかを，PIV解析により調査した． Figure 3. 針対平板電極間のストリーマコロナ放電. 方法 　本実験で使用したDBD-PAとCD-PAの概略図を以下に示す．DBD-PAは，誘電体であるポリイミドテープを2枚の銅テープで挟んだ形状をしており，アクリル板に張り付けるかたちで設置した．銅テープは厚さ0.05 mm，縦20 mm，横50 mmのものを用いた．これを交流電源に接続し，5 kV，4 kHzの電圧を印加した． Figure 4. DBD-PAの電極構成. 　CD-PAは，陰極をくさび型電極，陽極を平板電極とし，間隔を5 mm空け，浮かした状態で設置した．くさび型電極は厚さ1 mm，角度10°のものを用い，長方形平板は厚さ1 mm，縦100 mm横150 mmのものを用いた．材質はどちらも銅製である．これを直流電源に接続し，印加電圧は5 kVで固定した． Figure 5. CD-PAの電極構成. 　以下に実験装置全体の概略図を示す．アクリル製のボックス内にPAを設置し，容器内をトレーサー粒子で満たして十分薄くした．次にレーザーを測定位置に照射し，断面を可視化した．本実験での座標は紙面垂直向きをy軸とし，レーザーの照射位置はz = 0 mm，すなわち電極中心を通る位置とした．照射されたレーザーは，アクリルボックス内に充満しているトレーサー粒子に反射してレーザーシートを形成し，断面の流れ場を可視化することが出来る．可視化した断面はハイスピードカメラを使用し，5,000 fpsの設定で 0.1 秒間（500枚）撮影を行った．測定位置における流れ場でPIV(Particle Image Velocimetry)計測を行うことで，流れ場の速度ベクトルを求め，DBD-PAとCD-PAの流れ場解析を行った． Figure 6. 実験装置全体の概略図. 結果 　図7は，DBD-PAの電極中央断面における，x方向の流速ベクトルを時刻tごとに示したもので，撮影した0.1秒間の一部である．ただし，1つの渦が誘起される時刻をt = 0.000 sとしている．図より，上部から電極に吸い込まれるよう流れが存在しており，2つの電極の境目で渦状に流れが誘起されていることが分かる．また，流速は，流れが誘起される電極近傍で最大となっており，全体では，0.3 m/s～1.0 m/sとなっている．さらに，t = 0.000 sで流れが誘起されており，時間の経過とともに下流に流れていき，約0.020 秒経過後に同じような流れが新たに誘起されていることが確認できる． Figure 7. DBD-PAの時間に対するPIV解析結果. 　図8は，CD-PAの電極中央断面における，x軸方向の流速ベクトルを時刻tごとに示したもので，撮影した0.1秒間の一部である．図より，陰極である針電極から陽極である平板電極にかけて流れが誘起されていることが分かる．また，針電極先端から平板電極にかけて流速が最大となっており，全体では，1.0 m/s～3.0 m/sとなっている．DBD-PAとは違い，時間経過による流れの変化はほとんど見られなかった． Figure 8. CD-PAの時間に対するPIV解析結果. 　図9は，DBD-PAにおけるz軸方向に対する流れ場の変化を示したものである．撮影した画像群をPIV解析し，各時刻の速度ベクトルを算出し，それを平均した平均速度ベクトルをPIV結果として示している．ただし，電極中心をz = 0 mmとし，z軸方向に5 mmまで計測した．図より，z軸方向に対してほとんど流速の変化が見られないことが分かる． Figure 9. DBD-PAのz軸方向に対するPIV解析結果. 　図10は，CD-PAにおけるz軸方向に対する流れ場の変化を，平均ベクトルを用いて示したものである．図より，DBD-PAとは違い，電極中心断面から離れれば離れるほど誘起される流れの速度は小さくなることが分かる．これは，CD-PAは針先端に電場が集中することによって電離が起きているため，針先端から遠ざかるほど電離している領域が狭くなっていき，クーロン力によって加速されるイオンの数が少なくなっていくことが原因であると考えられる． Figure 10. CD-PAの時間に対するPIV解析結果.