速度勾配テンソル第2不変量に基づく壁面せん断乱流の圧力抵抗発生機構の探究

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 16K06096
• Research Institution: Kindai University
• Principal Investigator: 亀田 孝嗣 近畿大学, 工学部, 准教授 (70304491)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: 二次元チャンル流 / 粗面 / 乱流 / せん断流 / 壁面抵抗

Outline of Annual Research Achievements

H29年度は十分発達した二次元粗面チャネル流の壁面抵抗係数に対する圧力抵抗の寄与ならびにチャネル断面内の平均速度分布の評価を行った．
チャンル断面内の速度分布の評価はPIVにより実施された．PIVによる速度評価においてレーザーシート光を均一に入射させる必要がある．H28年度はチャネル上壁および下壁面に粗さ要素を設置して研究を実施していたが，上下面に粗さ要素があると均一に挿入することが困難であったため，下壁面のみに粗さ要素を設置するように変更した．この変更に伴い，H28年度に実施した局所壁面摩擦抵抗係数Cfの計測を再度行った．下壁面のみに粗さ要素を設置した場合でも粗さピッチ比PRによるCf値の変化傾向は上下壁面に設置した場合と同様な傾向(ただし，Cf値の大きさは異なる．) が得られた．
そこで，H29年度では下壁面に粗さ要素を設置した場合で，粗さ要素に作用する圧力抵抗ならびに断面内平均速度の計測を行った．圧力抵抗係数Cdpの評価はチャネル高さに基づくレイノルズ数Reh が1000，1500，2000および5000で実施された．Cdp値はPR値の増加に対して増加するものの，PR＝2においてRehが2000以上で負の値となり，粗さによるCf値の増加との対応性の説明が困難となった．これについては，圧力の計測精度や圧力抵抗係数の評価法の再検討が必要である．断面内平均速度分布の計測は，Reh が1000，1500および2000で実施された．PR＝2の分布は滑面流の結果と同様な分布傾向(チャネル中心軸に対して対称)分布となったが，PR＝4および8は下壁面で生じる圧力抵抗が大きいために，非対称な分布となった．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

H29年度では，PR=2，4および8について圧力抵抗係数と断面内平均速度およびレイノルズ応力の計測を実施することであった．
圧力抵抗係数を粗さ要素表面圧力の計測値から評価したが，PR=2においてその値が負となったため，圧力の計測精度および圧力抵抗係数の評価法の再検討が必要となった．
PIVによる断面内計測については，平均速度の評価をおこなったものの，レイノルズ応力の算出が実施されていない．
上記の2点について，今後実施する．

Strategy for Future Research Activity

H29年度で問題となった圧力抵抗係数の評価法ならびに断面内レイノルズ応力の算出を行う．また，H30年度で実施予定であるPR=2，4および8における粗さ要素間溝部の流れ計測を実施する．計測結果に基づき，以下の事柄を検討し，総括を行う，
(1)速度ベクトル図および等渦度線図を描画し，溝部上に形成されるはく離せん断層の発達や溝内部に形成される大規模渦に着目し，はく離せん断層の発達過程や溝内部渦の非定常性(擬周期性)を調査する．
(2)第二不変量の成分のうち，二次元速度計測で評価可能な成分を速度ベクトルデータから算出する．負および正の第二不変量とはく離せん断層や溝内部渦の構造と関連付け，圧力抵抗の増加に対して主要な役割をなす流れ構造を明らかにする．
以上の結果を総括し，粗さを導入することによって生じる圧力抵抗と流れ構造の関係について明らかにしていく．