2005 Fiscal Year Annual Research Report
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16560136
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
堀内 潔 東京工業大学, 大学院・理工学研究科, 助教授 (10173626)
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| Keywords | 乱流抵抗削減 / 高分子溶液 / 高分子応力構成方程式 / DNS / JS方程式 / rotating-disk apparatus / Affine性 / 代数型モデル |
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| Research Abstract |
本年度は、高分子添加溶液における、溶媒に対する高分子の親和的追随性(affine性)の強度が乱流抵抗削減に及ぼす影響の検証を、円管内の乱流および一様等方乱流において行った.高分子応力τ_<ij>の構成方程式としてJohnson-Segalman(J-S)方程式を用い、得られた高分子応力をNavier-Stokes方程式中の溶媒の粘性応力に付加するdirect-numerical simulation(DNS)を行った.
第一段階として、PIV等により高分子添加溶液の実験で得られる速度の瞬時空間分布の計測データから非affine性強度の決定を行う手法の開発を、一様等方乱流のDNSデータを用いて行った.この結果、J-S方程式の代数型定常解により算出されるτ_<ij>とτ_<ij>による圧力Pτを用いてこの決定が行える事、即ち、τ_<ij>とPτが溶媒の低圧領域に分布する場合は非affine性が弱く、τ_<ij>とPτが渦層領域に分布する場合は非affine性が強いという推測が可能な事を示した.
第二段階として、円管内流を対象とした計算コードを開発してフルなJ-S方程式を用いたDNSを行い、乱流抵抗削減に対する非affine性の影響を検証した.一様等方乱流と同様に、非affine性が最も強い場合に円管の壁面摩擦抵抗は最小値を示し最大の抵抗削減が起きる事、非affine性に対し抵抗削減が非単調性な変化を示し、非affine性が中間の場合に最小の抵抗削減が起きる事を明らかにした.Newton性流体では、渦層から渦管への遷移の発生に伴って乱流が生成されるが、この遷移に対する非affine性効果を検証し、非affine性が最も弱い場合は、高分子エネルギーが渦管領域に沿って分布してPτが渦管中心部で極大値をとる事により低圧領域を中心部にもつ渦管の成長が抑止されるのにたいし、最も強い場合は、高分子エネルギーが主に渦層に沿って分布し、渦層-渦管遷移過程の発生そのものが抑制される事を明らかにし、円管内流における抵抗削減機構が一様等方乱流と同一である事を示した.第三段階として、第二段階で開発した円管内流コードを元に、rotating-disk apparatusのDNSのためのコードの開発と整備を行った.
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