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2022 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, 教授 (80379065)
大石 義彦  室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 准教授 (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4年度は,以下の研究調査を進めた.朴は,点電極プローブによる船底境界層内の気泡群の壁面垂直方向のボイド率分布と気泡径分布を測定した.熊谷は高速チャネル中に翼を設置することで空気導入管内のスワールが微細気泡を大量発生させることを発見した.大石は前年度までに開発した高時間分解レーザーせん断応力計により,乱流境界層中で摩擦を支配するハイバーネーションイベントの統計を実施した.北川は撥水性円孔における気液界面の画像計測とマイクロ気膜法に関する基礎研究を実施し,それら壁面装飾が効果を有することを確認した.田坂は非定常剪断流れにおける気泡懸濁液の実効粘度マップを取得する方法論を開発し,従来の理論値から外れる高い実効粘度の発現の条件を見出した.堀本は水槽中の移動壁面上を流れる気泡の運動を計測し,流れ方向にボイド率が粗密を自然形成する条件が船底のボイド波と相似性をもつことを見出した.代表者の村井は,企業からのアドバイザーを招き,以上の成果を年度末報告会として情報交換し,次年度以降の研究計画の策定を推進した.
これらの成果は,9編の評価の高い国際学術誌に投稿され,掲載された.Chemical Engineering Scienceに1編,Flow Measurement and Instrumentationに2編,International Journal of Multiphase Flowに3編,Nuclear Technologyに1編,Ocean Engineeringに2編,ならびにPhysics of Fluidsに1編である.また,2022年6月には本課題に関して集中討議する日米二相流専門家会議を開催し,本課題から7件の発表がなされた.さらに欧州機関が主催する海洋二相流会議 Aquaから招待講演の依頼を受け,本課題の成果を発表した.

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5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.R4年度の年度末には研究推進員会を開催し,造船企業,海運企業,海上技術安全研究所,理研など計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R4年度内に9編の国際学術雑誌に掲載され,インパクトファクタの和は33.4に至った.初年度のR3年度からの累計ではインパクトファクタ75を超えている.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ており,抵抗低減を促進するさらなるアイデアと仮説が生まれ,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

R4年3月とR5年3月に開催された2回の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R5年度に開発調査を推進することとなった.高速水流の運動エネルギーがもたらす負圧を利用した翼形気泡発生装置については,気泡発生なしの条件でも船体抵抗が低下するデータを得ており,翼それ自体が下流の乱流境界層構造を変化させていると考えられる.この調査を風洞実験によって行う.ベルトドライブによる船底を模擬した気泡流境界層の再現実験では,ベルトに撥水性コーティングを課すことで,表面性状と気泡の相互作用による抵抗低減効果の拡大が期待される.これについてR5年度はパラメータスタディを実施する.気泡の間欠注入による乱流摩擦抵抗低減効果の拡大は,本課題から実装へのステージに移っているが,個々のボイド波の持続性とそれを支配する内部の気泡クラスタリング現象については系統的な理解が乏しいため,R5年度はこれを長距離チャネル水槽で調査する.また僅かに断面積が拡大していく水平拡大チャネルでは,ベンチュリー管と類似した気泡のバックスリップが,微細気泡のみを下流に放出し,大気泡は気膜を形成して停留し,間欠的な微細気泡放出を生み出す.これが動的なバルブを用いない自然発生的な間欠気泡注入法として発展させることができると考え,その周波数制御のための実験的調査を進める.

  • Research Products

    (48 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (10 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 10 results) Presentation (32 results) (of which Int'l Joint Research: 17 results,  Invited: 1 results) Book (1 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Int'l Joint Research] ミシガン大学/パーデュー大学/ジョンズホプキンス大学(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      ミシガン大学/パーデュー大学/ジョンズホプキンス大学
  • [Int'l Joint Research] トゥウェンテ大学/デルフト工科大学(オランダ)

    • Country Name
      NETHERLANDS
    • Counterpart Institution
      トゥウェンテ大学/デルフト工科大学
  • [Int'l Joint Research] ウォーリック大学/マンチェスター大学/エジンバラ大学(英国)

    • Country Name
      UNITED KINGDOM
    • Counterpart Institution
      ウォーリック大学/マンチェスター大学/エジンバラ大学
  • [Int'l Joint Research] ツールーズ流体力学研究所/ブレスト海洋大学/ルアーブル大学(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/ルアーブル大学
  • [Journal Article] Downstream persistence of frictional drag reduction with repetitive bubble injection2023

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

      Ocean Engineering

      Volume: 272 Pages: 113807

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2023.113807

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Experiments on slug flow dynamics in helically coiled tubes2023

    • Author(s)
      Y.Murai, M.Ishikawa
    • Journal Title

      Nuclear Technology

      Volume: 80 Pages: 295450

    • DOI

      10.1080/00295450.2023.2174344

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Ultrasound measurement of large bubbles rising in angled slug pipe flows2023

    • Author(s)
      D.Yoon, T.Hayashi, H.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, S.Takano, S.Masanobu
    • Journal Title

      Flow Measurement and Instrumentation

      Volume: 91 Pages: 102357

    • DOI

      10.1016/j.flowmeasinst.2023.102357

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Online rheological measurement of dilute liquid-solid two-phase flow with ultrasound Doppler technique2022

    • Author(s)
      C.Tan, H.Zhang, F.Dong, Y.Murai
    • Journal Title

      Flow Measurement and Instrumentation

      Volume: 90 Pages: 102326

    • DOI

      10.1016/j.flowmeasinst.2023.102326

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [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] Lift coefficient of bubble sliding inside turbulent boundary layers in an inclinable channel flow2022

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

      Physics of Fluids

      Volume: 34 Pages: 053301

    • DOI

      10.1063/5.0086777

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Microplastic particle trapping through microfluidic devices with different shaped pillars2022

    • Author(s)
      A.Kitagawa, M.Ota, T.Watamura, T.Tonooka, Y.Murai
    • Journal Title

      Chemical Engineering Science

      Volume: 264 Pages: 118163

    • DOI

      10.1016/j.ces.2022.118163

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Behaviors of sliding bubbles in an inclinable turbulent channel flow investigated by optoacoustic measurement2022

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

      International Journal of Multiphase Flow

      Volume: 158 Pages: 104258

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2022.104258

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Natural convection heat transfer enhancement using bubble injection between vertical parallel plates2022

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

      International Journal of Heat and Mass Transfer

      Volume: 202 Pages: 123568

    • DOI

      10.1016/j.ijheatmasstransfer.2022.123658

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] Application of variable interval time averaging method to waveform of wall shear stress in bubbly flow2022

    • Author(s)
      Y.Oishi, H.J.Park, Y.Murai, Y.Tasaka, H.Kawai
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bubbly drag reduction promoted by generating void waves in high-speed turbulent channel flows2022

    • Author(s)
      T.Tanaka, H.J.Park, Y.Oishi, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Ultrasonic measurement for void fraction ans size of microbubbles in a thin channel flow2022

    • Author(s)
      H.Park, S.Akasaka, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Cross flow transport of bubbles by hydrophobic strip in a horizontal turbulent channel flow2022

    • Author(s)
      A.Kitagawa, Y.Murai
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Air entrainment and bubble generation by ventilated hydrofoils for ship drag reduction2022

    • Author(s)
      I.Kumagai, T.Tsukahara, Y,Murai
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical investigation on the effect of drag reduction of the large sized bubbles in horizontal channel flow2022

    • Author(s)
      S.Kim, N.Oshima, Y.Murai, H.J.Park
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sliding bubbles inside turbulent boundary layers in a tilted channel2022

    • Author(s)
      D.Yoon, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      U.S.-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamcis 2022 - Michigan
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Frictional drag reduction by controlling of bubble injection2022

    • Author(s)
      Y.Murai
    • Organizer
      AQUA meeting - Keynote No.1
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] A direct numerical simulation study of two-phase turbulent flow with large-sized multiple bubbles in a horizontal flat channel2022

    • Author(s)
      S.Kim, N.Oshima, Y.Murai, H.J.Park
    • Organizer
      12th International Symposium on Turbulent Shear Flow Phenomena (TSFP-Osaka)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Rainbow-color imaging of microbubbles strongly clustering in a turbulent boundary layer2022

    • Author(s)
      Y.Murai, D.Saito, H.J.Park, Y.Tasaka
    • Organizer
      20th Int. Symp. Applications of Laser and Imaging Techniques to Fluid Mechanics (LISBON meeting)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effective viscosity of dilute bubble suspensions in medium amplitude oscillatory shear flows2022

    • Author(s)
      K.Ohie, T.Yoshida, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      14th European Fluid Mechanics Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Pipe flow transition led by hair-pin vortices in microbubble mixture2022

    • Author(s)
      Y.Tasaka, Y.Ishimatsu, D.Noto, Y.Horimoto, Y.Murai
    • Organizer
      14th European Fluid Mechanics Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development of local turbulent eddy viscometry2022

    • Author(s)
      A.Takano, K.Ohie,Y.Horimoto, Y.Tasaka,Y. Murai
    • Organizer
      14th European Fluid Mechanics Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Direct numerical simulation of skin-friction drag reduction by multiple large-sized bubbles in turbulent Poiseuille and Couette flows2022

    • Author(s)
      S.Kim, N.Oshima, H.J.Park, Y.Murai
    • Organizer
      4th International Conference on Numerical Method for Multiphase Flow (Venice/Italy)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Bubble splitters for a turbulent boundary layer2022

    • Author(s)
      Y.Murai, R.Aoki, H.J.Park, Y.Tasaka
    • Organizer
      Euro-American-Japanese Two-Phase Flow Group Meeting 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Void-wave drag reduction in turbulent flows investigated through different scale experiments2022

    • Author(s)
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • Organizer
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Sliding motion of bubbles in an inclined turbulent channel flow2022

    • Author(s)
      D.Yoon, H.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • Organizer
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 水平チャネル乱流における壁面摩擦抵抗の異径ノズルの空気流量比率による影響2022

    • Author(s)
      小島知也,下村海斗,大石義彦,河合秀樹
    • Organizer
      日本機械学会北海道学生会第52回学生員卒業研究発表講演会
  • [Presentation] 流動計測支援型レオメータを用いた複雑流体の管内流れ予測2022

    • Author(s)
      大家広平,芳田泰基,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      化学工学会第88年会
  • [Presentation] 超音波インラインレオメータによる擬塑性流体の粘性評価2022

    • Author(s)
      田坂裕司,芳田泰基,大家広平,村井祐一
    • Organizer
      化学工学会第88年会
  • [Presentation] 非定常せん断流れにおける粒子懸濁液の実効粘度2022

    • Author(s)
      陳博志,髙野哲秀,大家広平,堀本康文,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      化学工学会第88年会
  • [Presentation] 間欠的気泡注入による摩擦抵抗低減効果の長距離持続化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
    • Organizer
      第26回動力・エネルギー技術シンポジウム
  • [Presentation] 水平チャネル気泡流におけるボイド率急減に対する乱流構造のステップ応答2022

    • Author(s)
      田中 泰爾,青木崚,村井祐一
    • Organizer
      混相流シンポジウム2022
  • [Presentation] 20m模型船による空気潤滑法における気泡分布の調査2022

    • Author(s)
      朴炫珍,村井祐一,濱田達也,川北千春
    • Organizer
      混相流シンポジウム2022
  • [Presentation] 水平乱流境界層中のスライド気泡分裂促進デバイス2022

    • Author(s)
      村井祐一,青木 崚,朴炫珍,田坂裕司
    • Organizer
      混相流シンポジウム2022
  • [Presentation] 水平矩形チャネルの空気潤滑法における気泡注入器ノズル径による影響2022

    • Author(s)
      下村海斗,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2022
  • [Presentation] 微小気泡・微小粒子を高濃度に含む界面レオロジーの計測2022

    • Author(s)
      村井祐一,山岸俊太,Peter Fischer
    • Organizer
      日本レオロジー学会_第70回レオロジー討論会
  • [Presentation] 乱流境界層において局所ボイド率の変動が生み出す抵抗低減効果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
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会2022
  • [Presentation] 傾斜チャネル気泡流における気泡の揚力係数評価2022

    • Author(s)
      朴炫珍,Yoon Dongik, 田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会2022
  • [Presentation] 水平二次元拡大チャネル内の気液二相流に現れるボイド波の周波数特性2022

    • Author(s)
      阿部晃彬,朴炫珍,堀本康文,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会2022
  • [Presentation] 流速分布計測に基づく渦粘度計測システムの開発2022

    • Author(s)
      高野哲秀,大家広平,堀本康文,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会2022
  • [Presentation] 穴あき回転翼による曝気および撹拌過程に関する関する実験2022

    • Author(s)
      熊谷一郎,福原敦樹,棚井優太,村井祐一
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
  • [Book] 流体計測法2022

    • Author(s)
      村井祐一ほか
    • Total Pages
      380
    • Publisher
      日本機械学会
    • ISBN
      978-4-88898-326-6
  • [Funded Workshop] 日米二相流専門家会議2022

URL: 

Published: 2023-12-25  

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