2021 Fiscal Year Annual Research Report
Smart control of gas-liquid two-phase turbulent boundary layers for frictional drag reduction
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21H04538
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2026-03-31
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| 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 |
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| 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．
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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
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．
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| 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．
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