• Search Research Projects
  • Search Researchers
  • How to Use
  1. Back to project page

2021 Fiscal Year Annual Research Report

Smart control of gas-liquid two-phase turbulent boundary layers for frictional drag reduction

Research Project

Project/Area Number 21H04538
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

村井 祐一  北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 田坂 裕司  北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
PARK HYUNJIN  北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671)
熊谷 一郎  明星大学, 理工学部, 教授 (50597680)
堀本 康文  北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (60822525)
北川 石英  京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80379065)
大石 義彦  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (90617078)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2026-03-31
Keywords乱流 / 混相流 / 境界層 / 抵抗低減 / 船舶 / 気泡 / レオロジー / 省エネルギー
Outline of Annual Research Achievements

令和3年度は,以下の研究調査を進めた.一次元ボイド波伝播モデルによるPBIの適用距離の予測(朴),3次元翼による微細気泡発生法と正味摩擦抵抗低減効果の検討(熊谷),
高時間分解レーザーせん断応力計の開発とVITA法適用による統計評価(大石),空気充填ディンプルに形成される気膜の計測とマイクロ気膜法に関する予備調査(北川),非定常剪断流れにおける分散混相流体の実効粘度(田坂),高Reynolds数Taylor-Couette乱流の速度計測と抵抗低減(堀本),水平チャネルにおいて大型気泡群を有する2相乱流流動の直接数値シミュレーション(村井),傾斜チャンネル内の境界層で挙動する気泡抗力係数算定(村井).間欠的気泡注入による抵抗低減効果の長距離持続化(朴),水平チャネルのボイド率急変時の乱流境界層構造のステップ応答の計測(村井).
これらの成果は抵抗低減における気泡運動の流体力学について IJMFに4偏,気泡を含む応力場の計測技術について Exp Fluidsに4偏,船舶抵抗低減の実スケール実験について Ocean Engに2編,気泡流の非線形流体力学について JFMに1編,その他を含めて計18編の学術雑誌に掲載された.本課題で主柱としている下記の3項目について,初年度としての進展のうち特筆すべきものに以下が挙げられる.[PBI] 気泡分布の時空間パターン制御について,船底ボイド波のKdV-Burgers方程式によるデータ解析から現象相似性が発見された.[HBC] 水中翼による局所減圧型の境界層気泡分布制御法の開発では,微細気泡分散状態とエアキャビティ状態のモード変換機構が解明された.[RMF] 超音波と光による実時間フィードバック制御の開発では,複雑せん断流体の実効粘度の周波数依存性を計測する技術が確立された.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

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

Reason

代表者および分担者が初年度の計画策定から成果獲得まで3回の全体会議を実施し,相互の進捗を確認して進めたため順調と判断できる.年度末には研究推進員会を開催し,5名の外部アドバイザーに批評を頂き,次年度の研究内容の具体化を促すことが出来た.成果は18年の学術雑誌に掲載された.うち17年は流体力学分野で高い評価のある国際ジャーナルであり,それらのインパクトファクタの合計は40を超えた.これは科研基盤Aの学術研究プロジェクトでは順調と言える.また研究成果からさらなる未解明要素が派生し,次年度に向けて取り組むべき内容が具体化した.

Strategy for Future Research Activity

令和4年3月に開催された研究推進会議において下記の質問の議事録があり,これらについて次年度に開発調査を勧めることとなっている.[KdV]高速流の条件で1mmより小さい気泡では同じような式で予測可能か,大小の気泡が混じっているときと単分散ではどう異なるか.[HBI]ブロアを付けてヒレ形の翼を気泡微細化のためだけに使うというアイデアを検討する価値がある,翼の抗力係数を算出可能か(気泡発生をしている翼の抗力係数),[VITA] Hybernationの空間スケールと気泡間距離の相対関係はどうか,片持ち梁構造の固有振動数,せん断応力の分解能など全体設計の基本式はどうなっているか?[ Dimple] 気体の初期状態はどう制御するか,プリント技術で大量に量産可能か.[Viscometry] 船の条件で viscometry は実現可能か,Ca, Cd依存性のある領域は船舶の場合はどんな条件に相当するか.[T-C]せん断歪み速度がさらに大きくなると常に DRに転じることになりそうか, Shear-thinning 流体としての性質で説明できる部分があるか,環境に優しい surfactantはあるか.[DNS]圧力損失でDRを評価するとどうなるか,小さい気泡での計算は可能か.[Inclined] 傾斜壁面では船を後ろから前に押すようなボイドの浮力が作用するか,Cdなどのエラーバーが非常に大きいことが意味することは何か.[Towing] 実線の条件に近いので非常に有益な結果であるがRBI実装化の残りの課題は何か.[Step] 急変時には乱れが大きくなってレイノルズ応力が低下するということか.壁面せん断応力の時間変化との対応はどうか.

  • Research Products

    (39 results)

All 2022 2021 Other

All Int'l Joint Research (5 results) Journal Article (16 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Peer Reviewed: 16 results) Presentation (18 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results)

  • [Int'l Joint Research] ツールーズ流体力学研究所/ブレスト海洋大学/ニース大学(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      ツールーズ流体力学研究所/ブレスト海洋大学/ニース大学
  • [Int'l Joint Research] ウォーリック大学/ニューカッスル大学/エジンバラ大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ウォーリック大学/ニューカッスル大学/エジンバラ大学
  • [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/スイス連邦工科大学ローザンヌ校(スイス)

    • Country Name
      SWITZERLAND
    • Counterpart Institution
      スイス連邦工科大学チューリッヒ校/スイス連邦工科大学ローザンヌ校
  • [Int'l Joint Research] 天津大学/中国石油大学(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      天津大学/中国石油大学
  • [Int'l Joint Research] ミシガン大学/パーデュー大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ミシガン大学/パーデュー大学
  • [Journal Article] Drag coefficient of bubbles sliding beneath a towed model ship with variable tilt angles2022

    • Author(s)
      D.Yoon, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 149 Pages: 103995

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.103995

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Frictional drag reduction caused by bubble injection in a turbulent boundary layer beneath a 36-m-long flat bottom model ship2022

    • Author(s)
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • Journal Title

      Ocean Engineering

      Volume: 252 Pages: 111224

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2022.111224

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Time-dependent viscoelastic characteristics of montmorillonite dispersion examined by ultrasonic spinning rheometry2022

    • Author(s)
      T.Yoshida, Y.Tasaka, P.Fischer, Y.Murai
    • Journal Title

      Applied Clay Science

      Volume: 217 Pages: 106395

    • DOI

      10.1016/j.clay.2021.106395

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Efective rheology mapping for characterizing polymer solutions utilizing ultrasonic spinning rheometry2022

    • Author(s)
      K.Ohie, T.Yoshida, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Journal Title

      Experiments in Fluids

      Volume: 63 Pages: 40

    • DOI

      10.1007/s00348-022-03382-0

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Overview of ultrasonic spinning rheometry: Application to complex fluids (Invited Review)2022

    • Author(s)
      T.Yoshida, Y.Tasaka, K.Ohie, Y.Murai
    • Journal Title

      Nihon Rheoroji Gakkaishi

      Volume: 50 Pages: 3-7

    • DOI

      10.1678/rheology.50.3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 乱流境界層への気泡注入による摩擦低減効果:長尺模型船実験と実スケール性能の推定2022

    • Author(s)
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • Journal Title

      日本機械学会論文集

      Volume: 88 Pages: 21-00297

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Bubble fragmentation dynamics in a subsonic Venturi tube for the design of a compact microbubble generator2021

    • Author(s)
      Y.Murai, Y.Tasaka, Y.Oishi, P.Ern
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 139 Pages: 103645

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103645

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Bifurcation analysis of bubble-induced convection in a horizontal liquid layer: role of forces on bubbles2021

    • Author(s)
      K.Nakamura, H.Yoshikawa, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 923 Pages: R4

    • DOI

      10.1017/jfm.2021.601

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Ultrasonic velocity profiler applied to explore viscosity-pressure fields and their coupling in ineastic shear thinning vortex streets2021

    • Author(s)
      N.Tiwari, Y.Murai
    • Journal Title

      Experiments in Fluids

      Volume: 62 Pages: 185

    • DOI

      10.1007/s00348-021-03257-w

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Non-intrusive in-line rheometry using ultrasonic velocity profiling2021

    • Author(s)
      Y.Tasaka, T.Yoshida, Y.Murai
    • Journal Title

      Industrial and Engineering Chemistry Research

      Volume: 60 Pages: 11535-11543

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Entrapment and cross-flow transport of air bubbles by a hydrophobic strip in a turbulent channel flow2021

    • Author(s)
      A.Kitagawa, P.Denissenko, Y.Murai
    • Journal Title

      Experiments in Fluids

      Volume: 62 Pages: 198

    • DOI

      10.1007/s00348-021-03288-3

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Direct numerical simulation of frictional drag modulation in horizontal channel flow subject to single large-sized bubble injection2021

    • Author(s)
      S.Kim, N.Oshima, H.J.Park, Y.Murai
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 145 Pages: 103838

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103838

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Repetitive bubble injection promoting frictional drag reduction in high-speed horizontal turbulent channel flows2021

    • Author(s)
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • Journal Title

      Ocean Engineering

      Volume: 239 Pages: 109909

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2021.109909

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrasonic Doppler technique for applications in multiphase flow: a review2021

    • Author(s)
      C.Tan, Y.Murai, W.Liu, Y.Tasaka, F.Dong, Y.Takeda
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 144 Pages: 103811

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103811

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Spatial development of single void pulse in a horizontal turbulent bubbly channel flow investigated by a time-resolved two-laser measurement2021

    • Author(s)
      H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Journal Title

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 146 Pages: 103867

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103867

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] マイクロバブルによる乱流摩擦抵抗低減(解説論文)2021

    • Author(s)
      村井祐一
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 40 Pages: 252-259

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Measurement of size and velocity of rising bubbles by a vector UVP2021

    • Author(s)
      H.J.Park, S.Akasaka, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      13th International Symposium on Ultrasound Doppler Method 2021 - Zurich
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Vertical bubbly pipe flow measurement using combined signal of ultrasonic Doppler and echo intensity profiles2021

    • Author(s)
      T.Hayashi, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      13th International Symposium on Ultrasound Doppler Method 2021 - Zurich
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Novel air lubrication method applied to a 36-m-long model ship2021

    • Author(s)
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.Park. Y.Horimoto, Y.Murai, C.Kawakita
    • Organizer
      4th Global Conference on Innovation in Marine Technology and the Future of Maritime Transportation
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] New mode appearance by bubble injection in Taylor-Couette flow2021

    • Author(s)
      Y.Murai, Y.Tasaka, Y.Oishi, Y.Takeda
    • Organizer
      21st International Couette-Taylor Workshop (Twente/online)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bubble-induced convection in a horizontal liquid layer2021

    • Author(s)
      H.Yoshikawa, K.Nakamura, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      21st International Couette-Taylor Workshop (Twente/online)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bifurcation analysis of bubble-induced convection in a horizontal liquid layer2021

    • Author(s)
      K.Nakamura, H.N. Yoshikawa, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      4th NIT-NUU bilateral academic conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Local bubble clusters amplified to void waves in horizontal bubbly two-phase turbulent boundary layers2021

    • Author(s)
      Y.Murai, Y.Oishi, T.Tanaka, H.J.Park, Y.Tasaka
    • Organizer
      SHF(Soci Hydrotechnique de France) workshop on Dispersed Two-Phase Flow 2021 (Lyon, France/online),
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 36m長尺平板模型による間欠的気泡注入による空気潤滑法の高効率化2021

    • Author(s)
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • Organizer
      日本船舶海洋工学会 令和3年春季講演会
  • [Presentation] 36m長尺平板におけるボイド波生成による摩擦抵抗低減効果の促進2021

    • Author(s)
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • Organizer
      第25回動力・エネルギー技術シンポジウム
  • [Presentation] 長尺模型船を用いた翼型気泡発生装置の空気導入性能について2021

    • Author(s)
      佐藤弘康,熊谷一郎,川北千春,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会年次大会2021
  • [Presentation] ラグランジュ追跡システムによる気液二相水平チャネル乱流空間発達過程の調査2021

    • Author(s)
      田中泰爾,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      混相流シンポジウム2021
  • [Presentation] 長尺模型船における人工ボイド波の液相支配領域での局所剪断応力分布の評価2021

    • Author(s)
      藤井夏海,大石義彦,田中泰爾,朴炫珍, 村井祐一,田坂裕司,濱田達也,川北千春,河合秀樹
    • Organizer
      混相流シンポジウム2021
  • [Presentation] 光ヘテロダイン式デュアルビーム法を用いた気泡流の乱流せん断応力計測2021

    • Author(s)
      林拓矢,大石義彦,田中泰爾,朴炫珍, 村井祐一,田坂裕司,川北千春,河合秀樹
    • Organizer
      混相流シンポジウム2021
  • [Presentation] 超音波パルスエコグラフィを用いた傾斜チャネルにおける境界層内気泡運動の評価2021

    • Author(s)
      尹 桐翊,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      混相流シンポジウム2021
  • [Presentation] 乱流クエットチャンネル流動内の単一大型気泡の挙動に対する直接数値シミュレーション2021

    • Author(s)
      Kim Sangwon,大島伸行,村井祐一,朴炫珍
    • Organizer
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会
  • [Presentation] 水平チャネル気泡流におけるボイド率急変時の乱流構造のステップ応答2021

    • Author(s)
      青木俊,田中泰爾,堀本康文,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会
  • [Presentation] 振動せん断下におけるミリバブル懸濁液の実効粘度評価2021

    • Author(s)
      大家広平,芳田泰基,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会
  • [Presentation] 水平チャネル流における異径気泡流による壁面せん断応力の比較測定2021

    • Author(s)
      下村 海斗,林 拓矢,大石 義彦,河合秀樹
    • Organizer
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会

URL: 

Published: 2022-12-28   Modified: 2023-12-25  

Information User Guide FAQ News Terms of Use Attribution of KAKENHI

Powered by NII kakenhi