2022 Fiscal Year Research-status Report
Mechanism and prediction of drag modulation in wall-bounded turbulence by additives
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22K03917
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
堀本 康文 北海道大学, 工学研究院, 特任助教 (60822525)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 抵抗低減 / 界面活性剤水溶液 / 粘弾性乱流 / Taylor-Couette流 / 粒子画像流速測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
界面活性剤や高分子を乱流に添加することにより流体は粘弾性を発現し，壁面摩擦抵抗が劇的に低減する現象が知られる．本研究課題では，この現象を最大限活用した工学応用に向けて，乱流のプラットフォームとして，非常に高いReynolds数の乱流を実現できる回転二重円筒間流れ（Taylor-Couette流）の装置を利用した系統的な実験研究を行う．
2022年度では，内外円筒の回転角速度を系統的に変化させた場合の乱流に対してトルク計測と粒子画像流速測定（PIV）による速度場計測を実施し，この二つの実験に関して，予定していたパラメタ域でのパラメタサーベイが完了した．
内円筒にかかるトルク計測より，界面活性剤の添加により，壁面摩擦の低減と増加の両方が起こりえることが判明した．とくに，抵抗低減が生じるのは内外円筒が逆方向に回転して流体につよいせん断が加わる場合であり，実験を行ったパラメタ域では同方向に回転あるいは内円筒のみが回転する場合では顕著な抵抗増大が認められた．これは，内円筒のみが回転する場合の抵抗増大を報告する先行研究の知見を拡張する結果であり，Taylor-Couette流でも抵抗低減が生じることを示した，すなわちこの流れ場が抵抗低減現象を調べるための基礎的な流れ場であることを実証した点で非常に意義深い．さらに，流体にくわわるせん断を考慮した新しいReynolds数を考慮することで，円筒の様々な回転状態における抵抗の増加から低減までを統一的に議論可能であることを示した．
流速計測から得られた平均流速場からは，抵抗増大が生じる場合には円筒間ギャップの広い範囲にわたって剛体回転的に回転する領域が存在することが明らかとなった．この結果から，この剛体回転領域の生成維持のための角運動量輸送が抵抗増大の原因であることが示唆される．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
2022年度に計画していた三つの実験項目（トルク計測による抵抗変調の定量化，PIVによる速度場計測，蛍光プローブ法の適用）のうち，前者二つについては広範なパラメタ域での系統的な実験は完遂した．しかしながら，Taylor-Couette乱流への蛍光プローブ法の適用は，本年度では予備実験の段階にとどまっている．
その理由として，構築した光学系では計測の空間分解能が不足していることが挙げられる．当初の計画では流体にくわわるせん断と蛍光強度の空間分布の相関を調べる予定であったが，円筒側面の乱流境界層の厚さは非常に小さく，乱流境界層中の蛍光強度分布を得ることができなかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
上述のように，2022年度に達成すべき課題のうち，蛍光プローブ法による乱流中の蛍光強度分布の計測のみが実現できなかった．今後は，光学系とともに蛍光プローブ法の計測位置を改善することで，せん断の大きさの変化と蛍光強度分布の関係を明らかにすることを最優先課題として研究を実施する．その後，蛍光プローブ法の結果から，乱流中のミセル構造変化を明らかにする．それとともに，PIVで明らかとなった乱流構造の変化から，乱流の変調に対する粘弾性の寄与を空間的な分布として捉えて議論することで，最終的に界面活性剤添加による摩擦抵抗変調の物理機構とその発現条件を解明する．
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| Causes of Carryover |
2022年度では，三つの達成目標のうちの一つである蛍光プローブ法による計測が予備実験の段階にとどまっている．次年度使用額は，光学系やその付属品など，この実験項目の実施に必要な物品の購入に充てる．
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Research Products
(4 results)
