Development of prediction method for two-phase flow under ship bottom considering hydrodynamic characteristics on shell surface

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 20H02365
• Research Institution: Tokyo University of Marine Science and Technology
• Principal Investigator: 波津久 達也 東京海洋大学, 学術研究院, 教授 (60334554)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 井原 智則 東京海洋大学, 学術研究院, 助教 (70767350)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 船舶工学 / 空気潤滑法 / 気液二相流 / 外部流れ / 抵抗低減

Outline of Annual Research Achievements

船底への空気供給による船舶推進抵抗低減技術（空気潤滑法）において、船底外板表面の粗さや濡れ性は、形成する気液二相流の流動特性と摩擦抵抗特性の制御因子となる。この様な固体壁表面の流体力学的諸特性が大きく変化する船底外板近傍の二相流動構造を高精度に予測できる手法は現在無い。この課題の解決に向けて、本研究では、船底の二相流動構造と摩擦特性に及ぼす固体壁表面の諸特性（粗さ、濡れ性）の影響を適切に再現できる新しい二相流解析手法の構築を目的とし、（１）固体壁表面特性と二相流動構造の流体力学的相関の解明、（２）固体壁表面特性と二相流動構造の流体力学的相関を考慮に入れた新しい二相流構成式の開発を行う。
令和２年度は、主として、二相流実験装置の製作と二相流動構造データを取得するための計測系の準備を行った。二相流実験装置の試験部は、水平矩形流路構造とし、上部壁面の粗さと濡れ性を変更できる構造とした。その試験体上壁面に沿って気泡を供給することで船底下の二相流状態を模擬した。試験体には二相流構造の空間発達特性を確認できるよう、複数位置に二相流界面構造の計測部を設置した。また、二相流界面構造データ（ボイド率、界面速度、界面積濃度、気泡径）の測定に用いる探針式ボイドプローブを製作した。さらに、壁面に沿った速度境界層の厚さと乱流特性等を計測するため、超音波流速分布計測法（UVP）に基づく液相速度分布計測装置の整備を行った。製作された二相流実験装置と計測装置を用いた予備実験により、各装置の動作確認を行うとともに、本実験における水の流速、供給空気流量の各条件を決定した。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当該年度の実施目標（二相流実験装置の製作、二相流局所流動構造を取得するための計測系の整備）および予備実験を年度内にほぼ達成できたため。

Strategy for Future Research Activity

令和２年度に製作した模擬船底下二相流実験装置を用いて実験を行う。予備実験により決定した気膜流から微細気泡流までの広範な流動条件において、二相流の局所流動パラメータ（ボイド率分布、界面積濃度分布、気泡径分布、境界層厚さ等）の空間発達及び壁面摩擦抵抗に関するデータベースを構築する。また、二相流流動様式遷移式の開発に必要となる流動様式マップを作成する。取得されたデータベースに基づき、船底下の二相流動構造（流動様式、ボイド率、気泡径、液相速度分布、境界層厚さ）と摩擦抵抗特性に及ぼす影響因子を評価する。