2021 Fiscal Year Research-status Report
Maximization of frictional drag reduction effect by coarseness and fineness distributed bubbles using multiphase turbulent shear stress meter
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20K04255
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| Research Institution | Muroran Institute of Technology |
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Principal Investigator |
大石 義彦 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (90617078)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 抵抗低減 / 気泡 / せん断応力 / 省エネルギー / 船舶 / 乱流 / 乱流境界層 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者はこれまで摩擦抵抗低減を実現するために混相流計測技術を開発に注視してきた．摩擦抵抗低減を研究する研究者がもっと欲しているのはせん断応力を精度よく獲得することである．時空間スケールにおいて個々の気泡や周囲流れが観測可能な高周波応答の流体摩擦の測定が求められる．本研究課題では混相流における高ダイナミックレンジの周波数応答のせん断応力測定法を独自に確立し，壁面摩擦抵抗低減効果を制御された粗密気泡分布で実証することを目的とした．本年度は【1】コントロールボリュームを考慮した回流チャンネル水槽によるせん断応力測定，【2】異径気泡による乱流摩擦への時間応答性効果の検証，【3】模型船曳航実験によるせん断応力測定と人工ボイド波による検証とした．そこで，基礎計測法を基に低減持続性に優れた粗密気泡群混入方法を提案することである．本研究課題で提案するレーザーせん断応力計は光ヘテロダイン式の参照ビーム法とダブルビーム法であり，精度の向上について検証が終了している．本年度は本せん断応力計を用いて気泡混入時のせん断応力の計測に成功した．気泡混入時におけるせん断応力は単相流と比べ低減するが，本装置により気泡により7％の摩擦抵抗低減が得られることも確認し，瞬時のせん断応力の変動のみならず平均値でも計測できることを保証した．また，乱流イベントの抽出方法に取り組んだ．条件付きサンプリング法を追加したアルゴリズムを加えることにより，高時間分解能の生かした応力の変動成分の抽出に成功した．レーザーせん断応力計によって取得した時系列データを元に，条件付きサンプリングによる解析手法を採用し，乱流イベントであるハイバネーション現象およびバースト現象の取得に成功した．
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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
光ヘテロダイン式せん断応力計の開発にめどが立ち，研究成果が上がっている．さらに精度を上げるための検証方法が確立し，せん断応力計検定装置を完成させた．研究実績で示した各項目について状況を評価する．研究目的の【1】～【3】により，
【1】について，光ヘテロダイン式の参照ビーム法とダブルビーム法を実施、比較し精度の向上について検証した．また，気泡混入時のせん断応力の計測に成功した．ビート信号が絶えず変化する解析はこれまでの信号解析の中でも複雑なものとなっている．条件付きサンプリング法を追加したアルゴリズムを加えることにより，高時間分解能の生かした応力の変動成分の抽出に成功した．
【2】について，研究業績よりボイド波による低減効果の向上が確認され，メカニズムの解明が進みつつある．学会発表や論文投稿が計画的に進行しており，人工ボイド波の【3】への展開に大きく貢献した．
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| Strategy for Future Research Activity |
液体用のせん断応力計は既存装置が衰退し，船舶および模型船実験で使用する代替えの測定機器がない．本研究課題はせん断応力計の開発であり，光ヘテロダイン式のせん断応力が乱流などの無秩序な変動がある流れを測定できるか否かを検証する．上記，①～③について今後の研究の推進方策をまとめる．
①気泡のクラスタ形成によるボイド波による検証と個々の気泡と長波長のボイド波までの摩擦抵抗低減における周波数応答性の詳細を調査する．
②乱流の要素である摩擦速度，縦渦移流速度，レイノルズせん断応力ピーク層の流体速度，バッファ層のバースト移流速度，気泡移流速度，および主流速度との関連性を明らかにする．これらを現象ステージ別に定量可視化することでメカニズムの解明とする．境界層中の気泡は境界層の位置と気泡サイズによる移流により水平流においても2体干渉が誘発される．異径気泡発生装置を設計し，サイズが大きく異なる場合のボイド波動の生成効率と低減効果を調査する．この効果を調べるためには本課題のせん断応力計を利用し，時間応答の100～1000Hzの要素を解明する．
③高時空間分解能をもつPIVとの同期計測
空間レンジ1μm（～wall unit）から10m（～船）まで10の7条倍をもつ混相乱流へ粒子画像速度計測法(PIV)を適用し，せん断応力計で測定された応力値とレイノルズ応力分布との比較を行う．光計測による気泡および応力同時計測の確立を目指す．
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス感染の拡大により，計画していたレーザー装置の打ち合わせの遅延が生じ，納品の実施計画に大幅な変更が必要となったため．
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