2017 Fiscal Year Annual Research Report
Smart control of gas-liquid two-phase turbulent boundary layer
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17H01245
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
PARK HYUNJIN 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671)
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 教授 (50597680)
北川 石英 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80379065)
大石 義彦 室蘭工業大学, 工学研究科, 助教 (90617078)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 抵抗低減 / 混相流 / 気液二相流 / 気泡 / 乱流 / 船舶 / 境界層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
気液二相流の乱流境界層の制御における以下の３つの課題を遂行した．テーマ１[PBI] 気泡分布パターン制御による再現性・持続性の拡大：気泡発生は連続的であるよりも間欠的とするほうが高性能化する．壁面にボイドの模様を人工的に描かせる操作からPBI (patterned bubble injection)と命名している．H29年度は，水平チャネル乱流と，100メートル曳航水槽の二つの流れを対象として，上流にボイド率を脈動させるデバイスを装着し，下流のボイド波を測定した．脈動周波数は0～24Hz，境界層内ボイド率は0～25%を対象とした．この結果，0Hzで発生する自然ボイド波の固有周波数が8Hz程度であるのに対して，人工ボイド波の周波数がこれより低い場合と高い場合で異なるボイド波形の減衰と非線形成長の過程が実験的に発見された．またボイド波の持続性は自然ボイド波の周波数に近いほど高いことが判明した．テーマ2[KBI] 慣性局所減圧型の大量微細気泡発生法の開発：翼の負圧の利用による大量気泡発生技術は，実船装備で既に実績を獲得している．H29年度は，翼まわりの二相流を可視化した実験データに，数値解析を融合したハイブリッド解析を実施し，翼と水面で囲まれる二相流のダイナミクスを究明した．また，翼表面の曲率による微細気泡の集積と剥離の過程を可視化し，その結果，微細気泡が存在するときは乱流剥離が遅延することを明らかにした．テーマ3[UMF] 超音波モニタリングフィードバック：超音波ドップラー流速分布計測法(UVP)により，境界層の内側を移流する気泡の検知の高精度化を図る研究を進めた．また，UVPデータに境界層不変理論を融合することでUVP式の壁面せん断応力計を開発した．さらに高解像度超音波エコーグラフィ（50MHz）を開発し，壁面近傍を移流する大変形気泡や気膜をセンシングすることに成功した．
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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
研究組織を構成する分担者がそれぞれの得意とする計測技術を発展させ，当初の見込みどおりの成果を取得したと判断する．テーマ１[PBI]では，最大24Hzまでの人工ボイド波を発生することに成功し，このような気液二相流の制御の例は過去に世界的にもないと言える．これにより境界層内の気泡流に自然な固有周波数が存在することが明快となり，抵抗低減の大きさと下流持続性に極めて大きな影響があることが判明した．この成果は世界初であり，今後はこの現象に潜む二相流の波動物理を数理モデリングする予定である．テーマ2[KBI] では，北海道大学と明星大学の小型曳航水槽を利用して，３Dプリンタによる様々な高機能翼のモデルを製作し，気泡発生性能のデータベースを構築することが出来た．また下流における気泡の微細化現象の理論を構築するなど順調にす進んだ．また，テーマ3[UMF]では，超音波ドップラー流速分布計測法(UVP)と超音波高解像度エコーグラフィにより，水流速度0～3m/sの範囲における境界層厚さ20mmの内部を0.5mm刻みで気泡と気液界面を定量可視化する技術の開発に成功した．とくに100m曳航水槽によるモデル船舶の平板境界層で，正常にデータが取得されたことは大きな前進となった．以上の成果は，国際シンポジウムや国内の学会講演会において成果として発表され，高い評価を受けた．H29年7月から8月にかけて上野の東京国立科学博物館で，当課題チームによる研究成果を出展し，担当ブースに約1000人の来場者があるなど，本課題を科学研究の成果としてアピールすることもできた．
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| Strategy for Future Research Activity |
テーマ１[PBI] については，抵抗低減の旧来の因果関係の整理方法に，歴史的な間違いが見つかったことで設定されたものである．気泡の注入を反復的にすることにより，抵抗低減の効果が倍増し，そのうえ高い再現性が生まれる．特に自然成長するボイド波が，壁面せん断応力と波動方程式を共有することを発見しており，その基礎理論を構築する．その結果として，今日までの抵抗低減メカニズム遷移線図を書き換える．H30年度は，この現象を400m水槽で長距離実験するための計測機材の開発を行う．それをふまえてH31年度に，400ｍ水槽の本実験を実施する計画である．テーマ２[KBI]については，申請者の一部が担当した過去の実船実験において，気泡発生のための動力消費により正味省エネ率は半減ないしは負に落ち込んだという失敗経験から設定されたものである．翼まわりの気液二相流の流体力学を確立することで，最小動力で微細気泡を大量発生させる技術の開発を推し進める．特に，翼周りの圧力場に二相流の流動様式をロックインさせる知的制御が柱であり，低速船への実装化も視野に入れる．テーマ３[UMF]については，制御と計測がリアルタイム運用されたとき，最大効果が獲得できるという期待から設定された．なかでも高濃度の微細気泡の乱流レオロジーの物理が，学術研究としての柱であり，超音波レオメトリや超音波エコーグラフィにより乱流運動量交換の鎮圧作用を定量化する計画である．この現象をもとに設計する抵抗低減フィードバック回路は，空気潤滑式の船舶における最終進化形となる．
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