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Mechanism and prediction of drag modulation in wall-bounded turbulence by additives

Research Project

Project/Area Number 22K03917
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

堀本 康文  北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (60822525)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Keywords高Reynolds数乱流 / Taylor-Couette乱流 / 摩擦抵抗変調 / 粘弾性流体 / 希薄界面活性剤水溶液 / 抵抗低減 / 界面活性剤水溶液 / 粘弾性乱流 / Taylor-Couette流 / 粒子画像流速測定 / 乱流 / 蛍光プローブ法 / 粒子追跡流速測定
Outline of Research at the Start

添加剤による壁面乱流制御、抵抗低減現象の物理機構を解明するため、高いReynolds数のせん断乱流を維持できる装置を用いた実験を行う。実験には、主に内外円筒の回転を独立に制御できる世界最大級のTaylor-Couette流の装置を用いる。この装置では乱流による壁面摩擦抵抗を直接に評価可能である。系統的な実験により得られる壁面摩擦抵抗の変調を評価したのち、乱流速度場計測により乱流構造を明らかにする。さらに、添加剤が形成するミクロの変化を調べるために蛍光プローブ法を用いて、抵抗低減現象と流体のレオロジー的性質の関連も明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

大型の回転二重円筒間流れ(Taylor-Couette流)の実験装置により実現した高Reynolds数のせん断乱流に、きわめて微量の界面活性剤を添加したときの乱流変調現象について、粒子画像流速測定(PIV)により以下のことを明らかにした。実験は二つの円筒の同方向回転と逆方向回転を含む広範な回転条件にわたって、円筒表面上に乱流境界層が形成されるパラメタで実施した。(1)乱流強度はいずれの条件でも顕著に低下する。(2)対数速度分布の係数は水の場合と比較して変化する。
とくに(2)について、速度分布の係数の増減は、前年度に明らかにした回転条件による壁面摩擦抵抗の増減と相関があることが明らかになった。これは、界面活性剤の添加による高いReynolds数のTaylor-Couette乱流での摩擦抵抗の変化では、乱流境界層における角運動量輸送メカニズムの変調が重要なファクターであり、その結果として前年度報告したバルク領域での平均流の剛体回転領域が形成・維持されることを示唆する。
また、別のアプローチとして、本年度よりNewton流体の高Reynolds数Taylor-Couette流の乱流モデル開発を共同研究として進めている。現時点では、流れ場の曲率の曲率の効果がモデリングにおいて本質的に重要であることを示す結果を得ている。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

今年度までの実験により、界面活性剤添加による高Reynolds数Taylor-Couette乱流における角運動量輸送と壁面摩擦抵抗の変調の物理機構が明らかになった。これにより、研究開始当初の定量的予測を達成するための現象の理解が進みつつある。

Strategy for Future Research Activity

2024年度は、円筒間の角運動量輸送メカニズムの変調をより詳細にするために、角運動量輸送のバジェットの解析を進める。また、Newton流体の乱流モデリングで得られた知見を活かして、界面活性剤添加による乱流変調現象のモデル構築にも着手する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2024 2023 2022

All Presentation (10 results) (of which Int'l Joint Research: 5 results,  Invited: 1 results)

  • [Presentation] Yasufumi Horimoto, Akihide Takano, Kohei Ohie2024

    • Author(s)
      Sedimentation behaviors of particle clouds in viscoelastic fluids
    • Organizer
      1st European Fluid Dynamics Conference (EFDC1)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Notable effect of curvature on Reynolds-averaged Navier--Stokes models in co-rotating Taylor--Couette flow at high Reynolds number2024

    • Author(s)
      Kazuhiro Inagaki, Yasufumi, Horimoto
    • Organizer
      1st European Fluid Dynamics Conference (EFDC1)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 微量の界面活性剤添加が乱流におよぼす壁面摩擦変調効果2023

    • Author(s)
      堀本 康文
    • Organizer
      日本レオロジー学会 2023年通常総会および第50回記念年会
    • Related Report
      2023 Research-status Report 2022 Research-status Report
    • Invited
  • [Presentation] Drag modification by surfactant additives in high Reynolds-number Taylor-Couette turbulence2023

    • Author(s)
      Yasufumi Horimoto, Homare Okuyama, Taisei Hayama
    • Organizer
      22nd International Couette-Taylor Workshop (ICTW23)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Taylor-Couette乱流におけるReynolds平均モデルの検証2023

    • Author(s)
      稲垣 和寛,堀本 康文
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Angular momentum transport in Taylor-Couette turbulence of dilute surfactant solution2023

    • Author(s)
      Yasufumi Horimoto, Homare Okuyama
    • Organizer
      The 33rd International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-33)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Taylor-Couette流れにおける乱流モデルを用いた平均速度分布の予測2023

    • Author(s)
      稲垣 和寛,堀本 康文
    • Organizer
      第37回数値流体力学シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 界面活性剤添加による高Reynolds数Taylor-Couette乱流の変調2022

    • Author(s)
      堀本 康文,奥山 誉
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 界面活性剤水溶液の高Reynolds数Taylor-Couette乱流における平均流速分布2022

    • Author(s)
      堀本 康文,奥山 誉
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Modification of Taylor-Couette turbulence in an asymptotic ultimate regime by the viscoelasticity of dilute surfactant solution2022

    • Author(s)
      Yasufumi Horimoto, Taisei Hayama, Homare Okuyama
    • Organizer
      12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP12)
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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