2020 Fiscal Year Annual Research Report
気液二相乱流の特異脈動現象を機能強化する境界層制御技術の開発
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20J20435
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田中 泰爾 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 摩擦抵抗低減 / 乱流境界層 / 気液二相流 / ボイド波 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，船長4.0 mの平底模型船を用いた気泡分布の移流発達の研究，流速5.0-7.0 mの高速チャネル乱流における抵抗低減効果の研究，船長36.0 mの平底模型船を用いた抵抗低減効果の研究を実施した．
船長4.0 mの平底模型船を用いた実験では，空気流量を周期的に変動させて船底に発達した乱流境界層に気泡を注入し，模型船の上流側と下流側の2点で気泡分布を光学的に可視化した．実験の結果，気泡注入における周波数を操作することにより，人工的に与えた局所ボイド率の時空間変動（ボイド波）の下流持続性を大きく伸延できることが明らかになった．本研究の成果を国際学会誌Ocean Engineeringにおいて発表した．
高速チャネル乱流を用いた実験では，時間平均の空気流量を揃えた状態で周波数を変化させて気泡注入を行い，チャネルに取り付けた応力計により壁面に働くせん断応力を直接計測した．従来の一定流量での気泡注入と比較して，人工的なボイド波の生成により壁面摩擦抵抗低減率を向上できることを，実船に近い高速流において実証した．
船長36.0 mの平底模型船を用いた実験では，これまでの知見を基に，実船環境に迫るスケールにおけるボイド波の活用による摩擦抵抗低減効果を調査した．模型船に接続したロードセルにより船体全体での抵抗を計測した．注入周波数を変化させた結果，0.5 Hzで最大の抵抗低減効果を得られた．また本実験では，一周期における空気注入オンの時間比率（デューティ比）も操作した．同じ周波数の条件においては，デューティ比を小さくすることでさらに抵抗低減率を向上することに成功した．
複数の実験を通じた成果として，ボイド波を利用する摩擦抵抗低減技術は局所抵抗低減率の点で従来の手法を上回り，さらにこの抵抗低減促進効果が実船規模の長流下距離で持続することを示した．
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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
本研究の目的を達成するために，長い流下距離においてボイド波の移流発達を支配する気相と液相の相互干渉現象の解明が重要である．この調査のため，気泡分布や液相速度を光学可視化計測により取得する．本年度は，可視化計測用に所属研究室の既存のチャネル流路設備の改修を行い，長さ10 mの水平チャネル流路を製作した．流路入口からチャネル乱流の十分な発達距離を確保した上で，気泡注入位置より下流の長さが6 mあり，これまで調査されてこなかった領域でのボイド波の空間発達特性を明らかにすることができる．付属物を極力減らすことにより，今後想定している様々な計測対象と計測手法に応える設備となった．
チャネル流路の製作など上記の設備改修に並行して，これまでに実施してきた実験結果の解析を進めた．具体的には，船長4.0 mの平底模型船を用いた気泡分布の移流発達の研究，流速5.0-7.0 mの高速チャネル乱流における抵抗低減効果の研究，船長36.0 mの平底模型船を用いた抵抗低減効果の研究を実施した．いずれ研究においても気泡流の光学可視化と壁面せん断応力の計測を実施し，ボイド波が生み出す抵抗低減効果とボイド波の移流発達過程を調査した．ボイド波の生成により，実船に近い高速流においても局所抵抗低減率を向上できることを実証した．また，このような高い抵抗低減効果が気泡注入位置から数十メートル下流まで持続することを発見した．以上の結果から総合して，気泡注入における空気流量を周期的に変動させた摩擦抵抗低減技術が，従来の一定流量の気泡注入と比較して高い効果を発揮することを示した．これらの成果について国際学会誌において1件，国内学会において4件の発表を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
昨年度の活動により，既存の水平チャネル流路の改修が完了した．現在は，水平チャネル乱流において，局所ボイド率の時空間変動に対する液相の流速分布の応答，およびこれに伴う壁面摩擦の変化の調査を開始している．壁面せん断応力の計測を主軸としたこれまでの研究により，特定の注入周波数において時間平均の抵抗低減率が増加することと，その理由が乱流の変調による瞬時抵抗低減効果の著しい強化であることが示された．このような乱流変調による抵抗低減効果が生じている際の流れ構造を解明する．
ボイド波の移流発達とこれによる摩擦抵抗低減は，気液間の複雑な相互干渉が支配する現象である．流れ方向の複数点において気泡の空間分布を計測し，またその速度をPTV（粒子追跡法）によって取得する．これに並行して，液相速度分布もトレーサー粒子を用いたPTVにより定量的に評価することで，気泡分布の変動との相関を明らかにする．本研究の目的を達成するために，実船の規模に相当する数十m以上の流加距離におけるボイド波の発達を，実験室での成果から外挿的に予測することが必須である．定点での計測結果だけでは，このような長流加距離で現れる過渡的なボイド波の移流発達の特徴を明らかにするには至らない．既に完成している，電動レールを使用した水平移動システムに光学計測機材を搭載し，水平チャネル乱流中を移動する気泡を追跡して計測を実施する．複数の小型高速度カメラを使用して気泡分布と液相流速を同時に計測することで，統計的な相関関係に終始せず，一対一の因果関係を明らかにする．実験結果に基づき，水平チャネル乱流における人工ボイド波の発達過程を，波動伝播の方程式として表現する．これまで実施してきた壁面せん断応力の計測実験の結果を取り入れることにより，気相・液相の運動と，これによって引き起こされる抵抗低減効果を予測することを可能にする経験式として提案する．
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