2020 Fiscal Year Research-status Report
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20K04294
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
板野 智昭 関西大学, システム理工学部, 教授 (30335187)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 球面クエット流 / 乱流遷移 / 数理モデル / 実験流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
数値計算と実験の両面から球面クエット流の乱流遷移を明らかにすることが、本研究の目的である。ロシア・ドイツ・日本で過去に進められた先行研究を規範として、初年度は実験装置の組み立てと、先行研究の再現に多くの時間があてられた。本年度は、内外球面、回転ステージ、スピードコントロールモーター、ベアリング、制御装置等について複数の既製品から最適な組み合わせを選定および購入し、球面クエット流の実験装置を完成させた。外球が無回転の場合の球面クエット流の実験を改良を重ねながら繰り返し行い、内球の径に対する隙間の比（β）の値の大小が、流れの遷移に大きな違いを生む要因であるとの先行研究と同じ結果を得た。特に、βが0.14の（内球と外球の径が近く隙間が狭い）場合に対して、高精度トルクメータを導入した実験を行い、レイノルズ数に対するトルクのスケーリングの変化から、遷移レイノルズ数を求めた。得られた値は、粘度の測定精度の範囲で、先行研究と一致した。一方、βが大きな値になると、内球が流体から受けるトルクが機械的摩擦由来のトルクに比べ相対的に小さくなり測定が困難となる。そこで、β=0.90の場合の実験では、内球が流れから受けるトルクの測定に代えて、フレークを用いた流れの可視化実験を行い、レイノルズ数が400～600の範囲でフレークの反射光に周期的な変動が生まれることを実験で確認した。本研究では、実験と平行して数値計算により流れを再現する取り組みも進めている。β=1の場合に発生する３本腕および４本腕のスパイラル状の定常回転波解がニュートン法から特定できるようになった。この流れに、アルミフレークを混入した際のレーザー光反射強度を求める計算コード開発を進めている。
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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
本年度は、内外球面、回転ステージ、スピードコントロールモーター、ベアリング、制御装置等について複数製品から最適な組み合わせを選定購入し、球面クエット流の実験装置を完成させた。外球が無回転の場合の球面クエット流では、内球の径に対する隙間の比（β）の値の大小が、流れの遷移に大きな違いを生む要因であることが先行研究から知られている。βが0.14の（内球と外球の径が近く隙間が狭い）場合に対して、高精度トルクメータを導入した実験を行い、レイノルズ数に対するトルクのスケーリングの変化から、遷移レイノルズ数を求めた。得られた値は、粘度の測定値の精度の範囲で、先行研究と一致した。一方、βが大きな値になると、流体から受けるトルクが機械的摩擦由来のトルクに比べ相対的に小さくなり測定が困難である。そこで、β=0.90の場合の実験では、内球が流れから受けるトルクの測定に代えて、フレークを用いた流れの可視化実験を行い、レイノルズ数が400～600の範囲でフレークの反射光に周期的な変動が生まれることを実験で確認した。
また本研究では、実験と平行して数値計算により流れを再現する取り組みも進めている。β=1の場合に発生する３本腕および４本腕のスパイラル状の定常回転波解がニュートン法から特定できるようになった。この流れに、アルミフレークを混入した際のレーザー光反射強度を求める計算コード開発を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
流れの境界となる内外球の精密加工やより正確な芯出しなどの改良を重ねて今後実験を行う必要がある。本年度ですでに用意された外球回転ステージを動作させ、外球面の回転の効果が加わった場合の実験を行うことを計画している。実験で流れが内球に及ぼすトルクを測定する際に、シャフトを固定するために用いたベアリングからの摩擦トルクが無視できない。摩擦トルクを低減するため、内球内部を削ることで重量を下げる工夫が必要である。今後、また、本研究では内外球面を楕円体へ変更することが当初から計画されており、今後、内球や外球の切削加工を行う。実験と平行している進めているニュートン法による平衡状態の数値計算、フレークの運動の数値解析も鋭意進める。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍のため、計画されていた楕円形状領域の場合の実験が未実施のまま初年度終えたため、2021年度は、2020年度残額を楕円形状の内球と外球容器の購入費にあて、内球と外球容器がともに楕円形状の場合の実験を行う。また、これらの新規実験と平行して数値計算により流れを再現する取り組みも進める。β=1の場合に発生する３本腕および４本腕のスパイラル状の定常回転波解がニュートン法から特定できるようになった。この流れに、アルミフレークを混入した際のレーザー光反射強度を求める計算コード開発を進めている。計算機や数値計算ライブラリの購入を予定している。
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Research Products
(3 results)
