| Project/Area Number |
23K26037
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| Project/Area Number (Other) |
23H01342 (2023)
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Multi-year Fund (2024)
Single-year Grants (2023) |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
玉野 真司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40345947)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
武藤 真和 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (30840615)
森西 洋平 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40222351)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥18,980,000 (Direct Cost: ¥14,600,000、Indirect Cost: ¥4,380,000)
Fiscal Year 2025: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,000,000、Indirect Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2024: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
Fiscal Year 2023: ¥8,970,000 (Direct Cost: ¥6,900,000、Indirect Cost: ¥2,070,000)
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| Keywords | 乱流境界層 / 最大抵抗低減 / 大規模流れ構造 / 粘弾性流体 / 界面活性剤 |
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| Outline of Research at the Start |
粘弾性流体である界面活性剤水溶液を壁面注入した平板上乱流境界層流れにおいて、大規模流れ構造の全体像を捉えるための広範囲PIV計測と大規模流れ構造内部の異なる位置での局所流動摩擦を同時計測可能な高拡大PIV計測とを同期可能なシステムを構築し、大規模流れ構造と局所流動摩擦との関係性を明らかにする。また、平板上の突起構造により大規模流れ構造を破壊することで、MDR流れの生成・維持機構の解明を図る。さらに、界面活性剤水溶液のレオロジー特性ならびに大規模流れ構造の破壊装置を再現した直接数値シミュレーションを実行する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、流体工学分野において未解明で特異な流動現象の一つである「粘弾性流体の最大抵抗低減流れ（MDR流れ）における大規模流れ構造の役割と普遍性」を実験と計算の両面から解明することである。そのため、粘弾性流体である界面活性剤水溶液および高分子水溶液を壁面注入した平板上乱流境界層流れにおいて、大規模流れ構造の全体像を捉えるための広範囲PIV計測と大規模流れ構造内部の異なる位置での局所流動摩擦を同時計測可能な高拡大PIV計測とを同期可能なシステムを構築し、大規模流れ構造と局所流動摩擦との関係性を明らかにする。また、平板上の突起構造（角柱）により大規模流れ構造を破壊することで、MDR流れの生成・維持機構の解明を図る。さらに、粘弾性流体のレオロジー特性ならびに大規模流れ構造の破壊装置（角柱）を再現した直接数値シミュレーションを実行する。
2024年度は、2023年度に構築した計測システム（複数台のCCDカメラを用いた広範囲PIV計測システム）ならびに角柱ユニット（テストプレートに角柱を脱着可能なユニット）を使用し、壁面スリットから水を注入 (または注入なし) ならびに高分子 (PEO) 水溶液を注入した平板上乱流境界層に有限長の角柱を設置した流れの染料可視化観察とPIV計測を実施した。その結果、注入した水およびPEO水溶液の拡散過程ならびに乱流構造の相違について明らかにした。一方、数値計算については、2023年度に構築した境界埋め込み法（IBM）を用いた直接数値シミュレーションコード（DNSコード）を用いて、有限長の角柱を壁面に垂直に設置した場合のニュートン流体および粘弾性流体 (FENE-P流体) の平板上乱流境界層流れのDNSを実施した。作動流体の違いならびに角柱設置の有無が、乱流統計量の流れ方向変化ならびに乱流渦構造に及ぼす影響について明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実験については、平板上乱流境界層流れに角柱が設置された流れ場の染料可視化観察およびPIV計測を実施した。PEO水溶液の注入により、角柱の上流側における流れ構造の顕著な違いが角柱の下流側ではほとんど見られなくなることを明らかにした。角柱の下流側において注入流体 (水またはPEO水溶液) によらず観察された可視化染料が壁面垂直方向に巻き上げられたような構造は壁面近傍で発生する上昇流 (upwash) により発生することを示した。また、巻き上げ構造のサイズはPEO水溶液注入の方が壁面垂直方向に大きいことを明らかにした。
数値計算については、ニュートン流体と粘弾性流体 (FENE-P流体) の抵抗低減乱流境界層に設置された角柱周り流れの数値シミュレーションを実施した。主流方向瞬時速度コンターと主流方向平均速度分布から、ニュートン流体の場合と比較して、FENE-P流体の角柱後流に発生する速度欠損の回復が緩やかであることを示した。また、ニュートン流体と比較してFENE-P流体では、主流方向平均速度の負のピークの大きさが半分程度であること、平均流線により可視化した角柱後流の上部に発生する渦構造が主流方向に引き伸ばされることを明らかにした。
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| Strategy for Future Research Activity |
実験については、流れ方向およびスパン方向断面のPIV計測を行い、角柱周りの渦構造のさらなる調査、ならびに角柱アスペクト比による影響などを明らかにする。また、角柱後流の上昇流と抵抗低減効果との関係性の解明を図る。数値計算では、ワイセンベルク数が基底渦、先端渦、流れ方向渦、およびスパン方向渦などの乱流構造に及ぼす影響を明らかにする。
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