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気液二相乱流の特異脈動現象を機能強化する境界層制御技術の開発

研究課題

研究課題/領域番号 20J20435
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
審査区分 小区分19010:流体工学関連
研究機関北海道大学

研究代表者

田中 泰爾  北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2020-04-24 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
3,400千円 (直接経費: 3,400千円)
2022年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2021年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
2020年度: 1,200千円 (直接経費: 1,200千円)
キーワード摩擦抵抗低減 / 乱流境界層 / 気液二相流 / ボイド波
研究開始時の研究の概要

本研究では,ボイド率の時空間変動(ボイド波)を機能的に利用した,乱流境界層制御技術を開発する.この技術は,空気潤滑法による船舶の摩擦抵抗低減効果を向上させるための主幹となる.流れに人工的にボイド波を与えることにより,局所的な抵抗低減量を増大する効果と,抵抗低減効果の下流持続性を伸延する効果を,同時に獲得することを研究の柱とする.3年間の研究期間において,この技術が実現する抵抗低減性能の最大化を目指す.

研究実績の概要

本年度は,乱流境界層への周期的に空気流量を変動させた気泡注入(間欠的気泡注入)による抵抗低減技術の開発を目的として,①船長36mの平定模型船を用いた抵抗低減効果の調査,②同平定模型船に生じた気液二相流乱流境界層についての現象解明,③水平チャネル乱流における気液二相流から単相流への移行時の乱流変調現象の解明の3つの研究を実施した.
研究①の平底模型船を用いた実験では,準実船規模環境においてボイド波を活用することによる摩擦抵抗低減促進効果を調査した.模型船にかかる全抗力を計測結果し,特定の周波数で注入空気流量を周期変動させることにより抵抗低減率が最大になることを示した.模型船底面における局所壁面せん断応力の長手方向分布を計測し,長い流下距離に適用可能な抵抗低減効果の下流遷移モデルを提案した.モデルを用いた実船大での抵抗低減率の推定を行い,ボイド波の活用により実際の船において抵抗低減率が向上する予測を与えた.
研究②では,船底を流れる気液二相流の流動状態と局所せん断応力の時系列データ同期解析を行った.ボイド率の周期変動に対応して壁面せん断応力が周期変動し,この応答が長手方向に伝播する過程を明らかにした.
研究③は,間欠的気泡注入により抵抗低減が促進される瞬間に焦点を当てた.乱流境界層中の速度分布を高空間解像度で取得するためにPTV(粒子追跡法)を行い,平均流速およびレイノルズ応力を取得した.この結果は,気泡の通過により乱流せん断が一時的に約80%抑制されることを示した.
以上の内容を含め,国際学会誌Ocean Engineeringでの発表2件(筆頭著者),日本トライボロジー学会学会誌「トライボロジスト」での発表1件(共著),国際学会発表2件(本人口頭発表1件,ポスター発表1件),国内学会発表4件(本人口頭発表3件,共著1件)を行った.

現在までの達成度 (段落)

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和4年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2022 実績報告書
  • 2021 実績報告書
  • 2020 実績報告書
  • 研究成果

    (23件)

すべて 2023 2022 2021 2020

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 6件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (17件) (うち国際学会 4件)

  • [雑誌論文] Downstream persistence of frictional drag reduction with repetitive bubble injection2023

    • 著者名/発表者名
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • 雑誌名

      Ocean Engineering

      巻: 272 ページ: 113807-113807

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2023.113807

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 船体と海水の摩擦抵抗を低減する空気潤滑技術2022

    • 著者名/発表者名
      村井 祐一、田中 泰爾、堀本 康文、朴 炫珍、田坂 裕司
    • 雑誌名

      トライボロジスト

      巻: 67 号: 8 ページ: 547-554

    • DOI

      10.18914/tribologist.67.08_547

    • ISSN
      0915-1168, 2189-9967
    • 年月日
      2022-08-15
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Frictional drag reduction caused by bubble injection in a turbulent boundary layer beneath a 36-m-long flat bottom model ship2022

    • 著者名/発表者名
      T.Tanaka, Y.Oishi, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai, C.Kawakita
    • 雑誌名

      Ocean Engineering

      巻: 252 ページ: 111224-111224

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2022.111224

    • 関連する報告書
      2022 実績報告書 2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] 乱流境界層への気泡注入による摩擦抵抗低減効果:長尺模型船実験と実スケール性能の推定2022

    • 著者名/発表者名
      TANAKA Taiji、OISHI Yoshihiko、PARK Hyun Jin、TASAKA Yuji、MURAI Yuichi、KAWAKITA Chiharu
    • 雑誌名

      日本機械学会論文集

      巻: 88 号: 907 ページ: 21-00297-21-00297

    • DOI

      10.1299/transjsme.21-00297

    • NAID

      130008141622

    • ISSN
      2187-9761
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Repetitive bubble injection promoting frictional drag reduction in high-speed horizontal turbulent channel flows2021

    • 著者名/発表者名
      Tanaka Taiji、Oishi Yoshihiko、Park Hyun Jin、Tasaka Yuji、Murai Yuichi、Kawakita Chiharu
    • 雑誌名

      Ocean Engineering

      巻: 239 ページ: 109909-109909

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2021.109909

    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Spontaneous and artificial void wave propagation beneath a flat-bottom model ship2020

    • 著者名/発表者名
      T.Tanaka, H.J.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
    • 雑誌名

      Ocean Engineering

      巻: 214 ページ: 107850-107850

    • DOI

      10.1016/j.oceaneng.2020.107850

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      第26回 動力・エネルギー技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,青木崚,村井祐一
    • 学会等名
      混相流シンポジウム2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Bubbly drag reduction promoted by generating void waves in high-speed turbulent channel flows2022

    • 著者名/発表者名
      T. Tanaka, Y. Oishi, H. J. Park, Y. Tasaka, Y. Murai, C.Kawakita
    • 学会等名
      The 12th Japan-U.S. Seminar on Two-Phase Flow Dynamics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Void-wave drag reduction in turbulent flows investigated through different-scale experiments2022

    • 著者名/発表者名
      T. Tanaka, Y. Oishi, H. J. Park, Y. Tasaka, Y. Murai, C.Kawakita
    • 学会等名
      75th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • 学会等名
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 乱流境界層への気泡注入による摩擦抵抗低減効果の下流持続性2021

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      第25回動力・エネルギー技術シンポジウム
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 36m長尺平板模型における間欠的気泡注入による空気潤滑法の高効率化2021

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,大石義彦,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      令和3年日本船舶海洋工学会春季講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] Novel air lubrication method applied to a 36-m-long model ship2021

    • 著者名/発表者名
      Taiji Tanaka, Yoshihiko Oishi, Hyun Jin Park, Yasufumi Horimoto, Yuji Tasaka, Yuichi Murai, Chiharu Kawakita
    • 学会等名
      4th Global Conference on Innovation in Marine Technology and the Future of Maritime Transportation GMC'21
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Local bubble clusters amplified to void waves in horizontal bubbly two-phase turbulent boundary layers2021

    • 著者名/発表者名
      Yuichi Murai, Yoshihiko Oishi, Taiji Tanaka, Hyun Jin Park, Yuji Tasaka
    • 学会等名
      SHF(Societe Hydrotechnique de France) workshop on Dispersed Two-Phase Flow
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      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
    • 学会等名
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      林拓矢,藤井夏海,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
    • 学会等名
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2021
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 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

    • 著者名/発表者名
      青木崚,田中泰爾,堀本康文,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一
    • 学会等名
      日本機械学会第99期流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2021 実績報告書
  • [学会発表] 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2020

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,朴炫珍,大石義彦,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      混相流シンポジウム2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 高速チャネル乱流におけるボイド波生成による壁面せん断応力の変調2020

    • 著者名/発表者名
      田中泰爾,朴炫珍,大石義彦,田坂裕司,村井祐一,川北千春
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 36m長尺平板を用いた摩擦抵抗低減時における気泡ボイド波の可視化2020

    • 著者名/発表者名
      大石義彦,中村隼人,田中泰爾,朴炫珍,田坂裕司,村井祐一,濱田達也,若生大輔,川北千春,河合秀樹
    • 学会等名
      第48回可視化情報シンポジウム
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] 36m長尺平板における気泡抵抗低減時のせん断応力の変動2020

    • 著者名/発表者名
      大石義彦,藤井 夏海,田中 泰爾,朴 炫珍,田坂裕司,村井 祐一,濱田 達也,川北 千春
    • 学会等名
      日本機械学会第 98 期流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書

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公開日: 2020-07-07   更新日: 2024-03-26  

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