2020 Fiscal Year Annual Research Report
Physical modeling of turbulence reduction by surfactant additives
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19K14893
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
堀本 康文 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (60822525)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 抵抗低減 / 乱流 / 粒子画像流速測定 / PIV / 界面活性剤水溶液 / 蛍光プローブ法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
微量な界面活性剤の添加による発達した乱流の壁面摩擦抵抗の低減現象を実験的に調べた。制御が容易な閉じた系で発達した乱流を実現するために、内外円筒の回転を独立に制御できるTaylor-Couette流の大型実験装置を製作した。この装置により両円筒半径と回転角速度にもとづくReynolds数が10万のオーダーの乱流が実現できる。
十分に発達した水の乱流では、層流の値で規格化した乱流の壁面摩擦抵抗はTaylor数のおよそ0.4乗に比例することが知られる。このべき則が成り立つ乱流に界面活性剤を添加した場合、界面活性剤の濃度が数十ppm程度と希薄であっても、そのべき指数が0.1程度にまで低減し、さらに、そのときに壁面摩擦抵抗は最大で50%低減することを明らかにした。
また、粒子画像流速測定法により乱流速度場を計測して、摩擦抵抗が低減した状態の乱流統計量を算出した。その結果、抵抗低減が確認できた濃度では平均流速分布は水の場合とは質的に異なり、その周方向速度の半径方向分布が単調な分布ではなくなることがわかった。さらに、Reynolds応力のピークが内円筒側へシフトする傾向も確認した。
また、蛍光プローブ法により、界面活性剤ミセルによる蛍光弱化と抵抗低減率の関係も調査した。その結果、摩擦抵抗が低減している場合では、蛍光が弱くなることを明らかにした。
以上は、内外円筒が逆方向に回転する場合の抵抗低減現象に関する結果である。本研究の副次的な発見として、両円筒が同方向に回転する場合には、界面活性剤添加による平均流の変調は逆方向回転の場合よりも顕著になることを明らかにした。すなわち、水の場合とは逆の速度勾配はより大きくなった。なお、この場合には摩擦抵抗の低減は発現せず、逆に最大で190%も抵抗が増加することが確認された。
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Research Products
(1 results)
