International collaborative research work for friction factor and universal velocity profile in high Reynolds number pipe flow

• Project/Area Number: 19KK0098
• Research Category: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 19:Fluid engineering, thermal engineering, and related fields
• Research Institution: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology
• Principal Investigator: 古市 紀之 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 計量標準総合センター, 研究グループ長 (10334921)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 辻 義之 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00252255) ; 経田 僚昭 富山高等専門学校, その他部局等, 准教授 (50579729) ; 和田 裕貴 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 安全研究・防災支援部門 安全研究センター, 研究職 (80836718)
• Project Period (FY): 2019-10-07 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000); Fiscal Year 2022: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2021: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000); Fiscal Year 2020: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000); Fiscal Year 2019: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
• Keywords: 壁乱流 / 高レイノルズ数 / LDV / 空間分解能 / 円管乱流 / カルマン定数 / 速度分布

Outline of Research at the Start

本研究においては、独PTBの研究グループと、高分解能や多点面計測といった高機能付加されたLDVを用いて、高レイノルズ数円管乱流における管摩擦係数と平均速度分布型を確定するための国際共同研究である。異なる二つの設備における実験結果から、円管流における管摩擦係数の値や対数速度分布則におけるカルマン定数の普遍的な値を検証し、確定することを主目的とする。

Outline of Annual Research Achievements

本年度においては、ドイツPTBにおいて管摩擦係数および平均流速分布計測の実施を行うこととを計画していたが、新型コロナウィルス情勢により実現することができなかった。そのため、PTBにおいて実験的に実施する予定であってLDVにおける空間分解能が乱流強度におよぼす影響について、国内において実験的調査を行い、その情報をPTBと共有しディスカッションを行った。LDVの焦点距離を変えることにより、流れ方向成分の乱流強度における第一ピークに対する影響を調査し、空間分解能に対する補正方法を開発した。これにより、乱流強度におけるLDVの空間分解能ついては、最大摩擦レイノルズ数20 000まで、その影響が無く計測できることが明らかになった。ドイツPTBにおける実験では高空間分解能LDVによる計測を計画しており、この補正方法との整合性を検討することによりさらなる信頼性の向上が期待できる。
空間分解能の影響の他、乱流強度分布において流れ方向のみではなく、垂直方向および円周方向に関する分布の計測も行った。これにより、流れ方向と円周方向の対数分布が現れる領域に普遍性があることが明確になった。この成果は、ドイツPTBにおける実験との整合性を検証する意味でも、重要な結果となる。
ドイツPTBサイドにおいては、産業技術総合研究所においてすでに計測されている管摩擦係数との整合性検討のため、配管および計測システムの構築を行っている。現地において共同にて実験を実施することを検討していたが、現状不可能なため、先行してドイツPTBサイドにて実験を実施し、情報を共有することで計画を進めている。
また、面計測LDVについては順次開発を進めており、測定面の拡大について一定の目途がついたところである。今後、国内での検証実験を進める予定である。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

新型コロナウィルス情勢のために今年度計画していたドイツPTBにおける共同での実験の実施をすることが全くできなかった。管摩擦係数の計測においては、PTBサイドにて準備・実験を実施してもらうことで進めており、また、LDVの空間分解能の影響においては国内において可能な限りの実験的研究を行っているものの、現地における実験という内容についてはいかんともしがたい状況にある。そのため、現状はやや遅れがあると言わざるを得ない。ただし、最終年度における成果は十分に目標に到達できるように実験計画の入れ替えやドイツPTBサイドとの調整を進めている点を強調する。

Strategy for Future Research Activity

現状として、2021年度の渡航も難しいと言わざるを得ない状況であると考えている。そのため、渡航による現地の実験を可能な限り後ろ倒しにする研究計画とすることとしている。最終年度である2022年度の後半に現地における実験を集中的に行うことを想定し、事前に実施できる研究については可能な限り国内において進める。集中的な実験については、管内流速分布計測に限定し、管摩擦係数の計測に関する実験については、共同にて実施することを断念し、PTBサイドによる実験の実施を進めることとする。実験結果については共有し、これまでにも定期的に行ってきているPTBとのウェブ会議を、今後さらに密にし、情報共有を進めていくこととする。

Research Products

• [Int'l Joint Research] PTB(ドイツ)