2019 Fiscal Year Annual Research Report
Smart control of gas-liquid two-phase turbulent boundary layer
| Project/Area Number |
17H01245
|
|---|
| Research Institution | Hokkaido University |
|---|
Principal Investigator |
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
|
|---|
| 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, 大学院工学研究科, 助教 (90617078)
川北 千春 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (70767813)
濱田 達也 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (00608630)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 抵抗低減 / 混相流 / 気泡 / マイクロバブル / 船舶 / 乱流 / 境界層 / 省エネルギー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度は，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：海上技術安全研究所において400m長距離曳航水槽による36mのモデル船を使った実験を実施した．北大，室蘭工大，明星大，海技研の４機関による共同実験として遂行され，気泡分布パターン制御による船体の抵抗低減効果が確認された．とくに高速条件かつボイド率が低い条件で，効果が高いことが発見事項となった．人工ボイド波の下流持続性について混相流学会論文に，マイクロバブル乱流境界層の粗密波形成については２つの英文誌に論文として掲載された．率テーマ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について， 400m水槽を利用したモデル船実験を実施した結果，ブロアやコンプレッサを利用せず，船体の自走で気泡が発生し，船体全抵抗が低下することを再確認した．また異なる４つの翼型を搭載した試験では，それぞれの固有の気泡発生性能が明らかとなった．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)を応用し，分散体を含む複素粘性の計測に成功した．分散体の空間自己組織化に伴う粘性の増減を明らかにし，その成果はPhys. Fluidsに論文掲載された．さらに壁面せん断応力センサーの開発，壁面の撥水コーティングによる気泡運動の制御について国際シンポジウム論文に掲載された．前年度に実施した水平壁面における気泡クラスター形成の定量計測については日本混相流学会論文賞の受賞が内定した．以上記載の成果の要点について，可視化情報学会論文集と，流体力学会誌にそれぞれ解説論文として掲載され，成果の発信についても加速している．
|
| 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，当初の見込み以上の成果を取得した．テーマ１[PBI]は北大グループが主導し，これまで長期，未解明であったボイド波の長距離下流伝播特性を初めて解明した．伝播特性は1次元透過拡散係数として計測され，それが乱流渦動粘度と同程度であることを見出した．この結果，船舶への実装化において今後の設計パレットになった．京都工繊大のグループは，壁面にエアポケットを装着し，境界層のレイノルズ応力分布の空間遷移の計測に成功した．この結果からエアポケット配列による新しい抵抗低減法の開発に弾みがついた．テーマ2[KBI]は明星大グループが主導し，国立研究開発法人・海上技術安全研究所の設備を利用して，400mの長距離曳航水槽試験を実施し，当初計画どおりの成果を得た．この成果は同研究所の一般公開実験として実施され，成果の発信にもなった．その際，室蘭工大のグループでは半導体型の壁面せん断力センサーの配列による船体全域の抵抗低減特性の計測に成功した．また，独自技術であるレーザードップラー壁面せん断応力計についても開発に目処が立った．テーマ3[UMF]は北大グループが主導し，超音波ドップラーによる気液二相流，非ニュートン混相流，およびマイクロバブル乱流の計測を実施し，そのレオロジー物性の計測スキームの開発に成功した．また超音波パルスの高周波数での高時間分解データによりモデル船の境界層を移流する気泡，気膜の定量検知に成功した．
|
| Strategy for Future Research Activity |
テーマ１[PBI] については，村井，田坂，朴は2019年度に海技研400m水槽を利用した膨大な画像データ・センサー同期データを取得したため，2020年度はそのデータ解析を進める．特に，ボイド率と抵抗低減の時系列相互相関から抵抗低減を促進するボイド波の形状を抽出する．テーマ2[KBI]では，熊谷が，新型の気泡発生装置の流量特性，気泡サイズ特性，気泡の壁面座標特性の総合性能をデータ解析し，翼による気泡サイズ制御特性，気泡発生流量を与える一般理論式，ならびに正味抵抗低減の設計基礎式を確立する．テーマ3[UMF]について，大石はレーザードップラー型壁面せん断応力計の開発研究を進め，個々の気泡から長波長のボイド波までの抵抗低減における周波数応答特性を調査する．北川らは，壁面性状と気膜の相乗効果を見出すチャネル実験を実施する．海技研の川北，濱田は，以上の調査結果に対して船舶省エネの実装デバイスとしての設計許容度と正味効果の分析・予測を推進する．
|
