| 研究概要 |
水に微量の長鎖状高分子あるいは棒状ミセルを形成する界面活性剤を添加すると,乱流域での抵抗が著しく低減することはToms効果として知られている.著者らは微小なダンベル状要素で高分子を模擬したモデルを構築し,本モデルを用いて二次元チャネル内乱流のDNSを行い,Toms効果を再現した.また,この離散要素が縦渦減衰による抵抗低減機構と壁面近傍の付加応力による抵抗増加機構の2つの機構を内在していることを示した.本研究では,さらに要素に強い力が加わった場合に,要素が切断される効果を加えた.
モデルでは、ニュートン流体中に多数の長鎖状高分子がネットワークを組まずに存在している状態を想定している.長鎖状高分子を模擬する要素モデルは,2質球を剛体棒で接続したダンベルで,これが流体から引張力を受ける方向を向き,流体はその反力を受けるものと仮定している.本研究では,要素にある程度の引張力が働くとその離散要素は破壊され,破壊された離散要素は流れ場に影響を与えないという効果を加えた.
本モデルを用いて十分に発達した2次元チャネル内乱流の直接数値シミュレーションを行った。チャネル半幅と壁面摩擦速度で定義したレイノルズ数Re_tau=120〜600(チャネル幅とバルク流速で適宜した場合にはおよそ3000〜11000)の範囲で計算を行い。最大で約50%(従来は35%)の抵抗低減が得られた。また、一定のレイノルズ数範囲のみで抵抗低減が生じ、高レイノルズ数では抵抗低減が生じないという実験結果を再現することができた。
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