2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of a new flow control methodology using periodic wall heating
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18K03952
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| Research Institution | Tokyo Metropolitan University |
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Principal Investigator |
稲澤 歩 首都大学東京, システムデザイン研究科, 准教授 (70404936)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 流れの制御 / 壁面分布加熱 / 波状壁 / 自然対流 / 流れの駆動 / 抵抗低減 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，壁面操作（微小な波打や周期加熱）による低レイノルズ数内部流れの抵抗低減および流れの駆動制御手法の確立を目指している．これらの制御は，特殊な表面加工や流路内へのデバイスの設置を必要としない，これまでにない特徴を持つ新機軸の流体制御手法である．壁面操作による流れの基礎性質を実験的に詳細に観察・計測し，理論モデルと比較検討したうえ，流れの制御に向けた操作手法の最適化に向けた知見を得る．
2019年度は壁面の波打と分布加熱の組み合わせによる水平力の発生と流れの駆動（Thermal Drift）に力点を置いて調べた．この実験は，前年度に実施した抵抗低減（Super-thermo-hydrophobic効果．2019年度J. Fluid Mech.に掲載）とは異なり，両端が開放されたチャネルを用いるため，実験にあたっては慎重な事前検討が求められた．実験モデルはNC工作機により精密に加工され，壁面モデルの設置にあたっては装置の水平度を随時確認した．加えて，予想される水平力は微小であることを踏まえ，実験装置全体を囲って外乱の影響を最小限に抑え，また，チャネル出口での流れのはく離や浮力による上昇流の影響を減じる工夫も行った．実験の結果，分布加熱波状壁では波打に応じてわずかに傾いた定在対流ロール対が生じ，その間を縫う水平流れが励起されることが見出された．水平流の流量は加熱強さに対して単調に増加し，加熱と冷却を入れ替えると流れの向きは反転した．実験結果は同条件の理論解析とよく一致した．
成果は，1件の国内会議で発表されるとともに，論文投稿準備を完了した．
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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
2019年度に予定していた壁面の波打との組み合わせによる水平流の駆動については，両側が大気開放された水平チャネルで検証する必要があり，外的要因（外乱，温度分布，壁面形状の仕上がり等）の影響を最小限に抑えることが強く求められ，困難が予想された．予備実験を繰り返して装置周囲だけでなく，実験室内の静穏性も十分配慮することで，加熱位相の反転による水平対称性が明確に確認できるようになり，また，再現性のある信頼できる実験が実行できた．実験データの取得にあたって当初計画よりも時間を要したものの，実験と同一条件の理論解析を並行して実行したため，年度内に結論を得るまで到達できた．
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は，流れ場の三次元性が制御効果に及ぼす影響を明らかにする実験に取り組む．これは，工学的に重要な内部流れはダクトあるいは円管であることに基づく．先行している理論解析も二次元チャネル流のみを対象としており，三次元性の効果は考慮していない．こうした三次元性の影響については，解析よりも実験の方がパラメータを容易に変化させることができる有利性をもつ．実験はチャネル側壁間隔を減らすことで容易に実行でき，まずは，チャネルから矩形ダクトに近づけた場合の流れの変化を，Super-Thermo-Hydrophobic EffectおよびThermal Driftにおいて，測定のスパン断面を異動させながら観察する．
得られた結果を基に，矩形断面での有効性を明らかにするとともに，円管に対する適用の可能性についても検討する．
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| Causes of Carryover |
予定していた実験消耗品が新型感染症の影響で2019年度内の納品が困難となり，2020年度の購入に変更したため．
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