細管内に置かれた物体の力学的挙動と物体の運動に伴う管内非定常流との非線形相互作用

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15560205
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 吉沢 正紹 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (10095664)
• Keywords: 流体マイクロマシン / 流体関連振動 / 非線形力学現象 / 数値解析 / 相似模型実験 / PIV / 渦剥離 / 抗力係数

Research Abstract

管内径の細い流体管路内に配置された物体が運動すると,流路壁と物体との距離が大きく変化して,管内流および物体の運動は相互に影響をおよぼし合うことが予想される.こうした現象の解明は,流体マイクロマシンの開発などにおいて必要不可欠であると共に,非線形流体関連振動の代表例として工学的にも興味深い.しかしながら,その三次元的な現象の解明は目下のところ極めて難しい.
本年度は,細管内に置かれた物体の運動と流体運動との相互連成問題を取り扱うための第一段階として,円管中心軸上に固定された球を過ぎる非定常流れの特徴をMAC法による数値解析により明らかにした.
その結果,1.球の受ける抗力は流速の増加と共に大きくなるが,球の抗力係数はレイノルズ数の増加にともない単調に減少し,球と流路壁の隙間が狭いほど大きくなる.
2.あるレイノルズ数を境に球表面から流れが剥離し,球の下流側には定常な渦輪が形成される.形成された渦輪はレイノルズ数の増加にともない流れ方向へと伸び,球表面から流れが剥離する点は流れと逆方向つまり上流側に移動する.
3.球と流路壁の隙間が狭くなるにつれて渦輪が発生する臨界レイノルズ数は大きくなるため,流路壁の影響により球表面からの流れの剥離,および球の下流側における渦輪の発生が抑制される.
ことなどが明らかになった.
さらにスケールの小さな流体運動の特徴を実現象として観察するため,力学的相似則を考慮して測定可能な大きさに拡大した相似模型を用いると共に,非定常な流れの可視化には粒子画像流速測定法(PIV)を用いて実験を行った.その結果,球と流路壁の隙間の変化による球の下流側における流れ場の変化の特徴を,実験により確認した.

Research Products

• [Publications] 富松 卓郎: "細管内にある球に作用する流体力"D&D Conference2003 CD-ROM論文集. 03-7. 445 (2003)
• [Publications] 長澤 潔: "最管路内の物体に作用する流体力の数値計算による評価"日本機械学会 第16回計算力学講演会講演論文集. 03-26. 149-151 (2003)
• [Publications] 伊藤 健也: "狭い流路内に弾性支持された円柱の運動と流体運動との相互作用"日本機械学会第16回計算力学講演会講演論文集. 03-26. 157-158 (2003)