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2016 年度 実績報告書

高レイノルズ数円管流れにおける摩擦損失係数の定式化と普遍速度分布に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 15H03923
研究機関国立研究開発法人産業技術総合研究所

研究代表者

古市 紀之  国立研究開発法人産業技術総合研究所, 工学計測標準研究部門, 主任研究員 (10334921)

研究分担者 辻 義之  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (00252255)
研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード高レイノルズ数 / 壁乱流 / 管内流 / カルマン定数 / 普遍的流速分布
研究実績の概要

H28年度においては、H27年度において計測された実験結果をさらに高度に検証するためのデータ解析をまず実施した。カルマン定数、切片定数に関するレイノルズ数特性を明確化するとともに、流速分布から得られるこれらの定数と、管摩擦係数の計測結果から得られるこれらの定数の一致について検討した。その結果として、バルクのレイノルズ数が5x10^5より小さい領域では定数にレイノルズ数依存性がある一方で、これより大きいレイノルズ数においては普遍的な値、すなわちカルマン定数が0.383、切片定数が4.335をとなることを示すことができた。これらの定数は、流速分布と管摩擦係数のそれぞれ独立した計測結果から得られたものであり、両者の高い一致性から、妥当性が非常に高い結果であると結論づけられる。これらの結果は近年の議論の対象となっている、Superpipeの結果とは一致しない(カルマン定数が0.41)一方で、他の壁乱流、すなわち、平板境界層やっチャネル流れにおける定数と高レイノルズ数領域において、極めて良い一致を示しており、普遍的な流速分布形状となる可能性を示唆する結果となった。
一方、上記の結果は100mmの口径における結果であり、レイノルズ数もSuperpipe等に比較し十分には大きくなく、また、粗さの影響を考慮した場合には大口径でさらに高レイノルズ数での実験が必要であった。H28年度においては内径が387mmの大口径の配管に対して、十分に長い直管長さを持つ滑管を準備した。当初においては発達に十分な長さを有しない可能性があったことから、配管を追加したものである。また、LDV計測における空間分解能を向上するための手法等についての検討も実施した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

H28年度までの研究において、これまでに広範囲なレイノルズ数域における管摩擦係数および小口径(100mm)の流速分布および乱れ強度分布の計測を行ってきた。すでにこれらの実験結果の解析を行っており、普遍的流速分布の可能性、それらの定数、また、乱れ共同分布のスケーリングやAttached Eddy Modelの検証等を行ってきており、高レイノルズ数円管流れにおける、多くの新しい知見を得ることができている。このような観点から、当研究はおおむね順調に進展していると言える。

今後の研究の推進方策

最終年度にあたっては、大口径配管における流速分布計測のまとめを実施し、これまでに検証してきた、普遍的流速分布の妥当性について研究を進める。また同様に、すでに指摘してきたAttached Eddy Modelの非成立性についても、大口径配管の実験結果から検証を行うものとする。
LDVの空間分解能に関する研究についても、実験結果をもとにして、構築した手法の妥当性を検証する。本研究成果を元に、改めて乱流強度の実験結果を検証し、解析を進めるものとする。
二成分同時計測によるレイノルズ応力計測も合わせて実施する。特に対象が円管流れのために、壁面近傍における計測には困難が伴う。少なくともバッファーレイヤーにおける計測を実施し、この領域における円管乱流におけるレイノルズ応力分布の計測を行う。
以上の結果をもとにし、円管流れにおける大規模構造と壁面近傍の流動に対する関連性を明らかにし、新たなスケーリングモデル等を提案することを今年度の目標とする。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 4件、 招待講演 1件)

  • [雑誌論文] High Reynolds Number Experimental Facilities for Turbulent Pipe Flow at NMIJ2017

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Furuichi, Yoshiya Terao, Yoshiyuki Tsuji
    • 雑誌名

      Proceedings of Turbulence

      巻: 印刷中 ページ: 印刷中

    • 査読あり
  • [学会発表] Relation between vleocity profile and friction factor at high Reynolds number in fully developed pipe flow2017

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Furuichi, Yoshiya Terao, Yuki Wada, Yoshiyuki Tsuji
    • 学会等名
      Tenth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
    • 発表場所
      Chicago, USA
    • 年月日
      2017-07-06 – 2017-07-09
    • 国際学会
  • [学会発表] High Reynolds number examination for fully developed pipe flow - Mean velocity profile and friction factor2016

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Furuichi, Yoshiya Terao, Yuki Wada, Yoshiyuki Tsuji
    • 学会等名
      APS/DFD16
    • 発表場所
      Portland, USA
    • 年月日
      2016-11-20 – 2016-11-22
    • 国際学会
  • [学会発表] 円管乱流における管摩擦係数の信頼性 - 平均速度分布からの検証2016

    • 著者名/発表者名
      古市紀之、和田裕貴、寺尾吉哉、辻義之
    • 学会等名
      日本機械学会流体工学部門講演会
    • 発表場所
      山口大学
    • 年月日
      2016-11-12 – 2016-11-13
  • [学会発表] 高レイノルズ数円管流れにおける管摩擦係数と流速分布2016

    • 著者名/発表者名
      古市紀之、和田裕貴、寺尾吉哉、辻義之
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会 先端技術フォーラム
    • 発表場所
      九州大学
    • 年月日
      2016-09-11 – 2016-09-14
    • 招待講演
  • [学会発表] High Reynolds number actual flow facility "Hi-Reff" and measurement uncertainties2016

    • 著者名/発表者名
      Noriyuki Furuichi, Yoshiya Terao, Yuki Wada, Yoshiyuki Tsuji
    • 学会等名
      iTi 2016, Workshop on high Reynolds number turbulent flows
    • 発表場所
      Bertinoro, Italy
    • 年月日
      2016-09-05 – 2016-09-09
    • 国際学会
  • [学会発表] The experimental study on the turbulent statistics in the outer layer in high Reynolds number turbulence2016

    • 著者名/発表者名
      Yuki Wada, Noriyuki Furuichi, Yoshiya Terao, Yoshiyuki Tsuji
    • 学会等名
      iTi 2016, Workshop on high Reynolds number turbulent flows
    • 発表場所
      Bertinoro, Italy
    • 年月日
      2016-09-05 – 2016-09-09
    • 国際学会

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公開日: 2018-01-16  

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