気液二相乱流境界層のスマートコントロール

2020 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01245
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
• 研究分担者: 田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946) ; PARK HYUNJIN 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671) ; 熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 教授 (50597680) ; 北川 石英 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80379065) ; 大石 義彦 室蘭工業大学, 大学院工学研究科, 助教 (90617078) ; 川北 千春 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (70767813) ; 濱田 達也 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所, その他部局等, 研究員 (00608630)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 抵抗低減 / 乱流 / 境界層 / 気泡 / マイクロバブル / 超音波 / せん断応力 / レオロジー

研究実績の概要

2020年度は，気液二相流の乱流境界層を効果的に制御するための３つの課題を遂行した．テーマ１[PBI] 気泡分布パターン制御による再現性・持続性の拡大：海上技術安全研究所において400m長距離曳航水槽による24mのモデル船を使った実験を実施した．この結果、気泡を周期的に注入することで低速流においては高いボイド率の脈動を下流に持続させる効果が延伸されることが明らかとなった。また2019年度に実施された36mのモデル船のデータ詳細解析を実施し、気泡発生部からの流下距離の関数としての壁面摩擦抵抗の分布を高い再現性と精度で抽出することに成功した。テーマ2[KBI] 慣性局所減圧型の大量微細気泡発生法の開発：翼の負圧の利用による大量気泡発生技術について 400m水槽を利用したモデル船実験を実施した結果，特定の翼形状では正味省エネルギー効果が獲得できることを改めて再確認された。また3次元翼配列については高いせん断付与による高い数密度での微細気泡の発生が可能となった。テーマ3[UMF] 超音波モニタリングフィードバック：超音波ドップラー流速分布計測法(UVP)を応用し，気泡流における乱流レオロジー特性を計測する基本原理が確立された。特に複数の特徴周波数を含んだ非定常せん断歪速度を付与する環境での気泡流の複素粘性の計測に成功した．さらに壁面せん断応力センサーの開発，壁面の撥水コーティングによる気泡運動の制御などの技術開発と流体力学的知見について国際学術誌に掲載された．

現在までの達成度 (段落)

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

今後の研究の推進方策

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ウォーリック大学/エジンバラ大学(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: ウォーリック大学/エジンバラ大学
• [国際共同研究] スイス連邦工科大学チューリッヒ校/スイス連邦工科大学ローザンヌ校(スイス)
  • 国名: スイス
  • 外国機関名: スイス連邦工科大学チューリッヒ校/スイス連邦工科大学ローザンヌ校
• [国際共同研究] ツールーズ流体力学研究所/ブレスト海洋工学研究所(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: ツールーズ流体力学研究所/ブレスト海洋工学研究所
• [雑誌論文] Monitoring of void fraction and bubble size in narrow-channel bubbly-flows using ultrasonic pulses with a super bubble-resonant frequency (2021)
  • 著者名/発表者名: H.Park, S.Akasaka, Y.Tasaka, Y.Murai
  • 雑誌名: IEEE Sensors Journal 巻: 21 ページ: 273-283
  • DOI: 10.1109/JSEN.2020.3015132
  • 査読あり
• [雑誌論文] Bubble fragmentation dynamics in a subsonic Venturi tube for the design of a compact microbubble generator (2021)
  • 著者名/発表者名: Y.Murai, Y.Tasaka, Y.Oishi, P.Ern
  • 雑誌名: International Journal of Multiphase Flow 巻: 139 ページ: 103645
  • DOI: 10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103645
  • 査読あり
• [雑誌論文] Spontaneous and artificial void wave propagation beneath a flat-bottom model ship (2020)
  • 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
  • DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.107850
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mechanism and performance of a hydrofoil bubble generator utilized for bubbly drag reduction ships (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Murai, H.Sakamaki, I.Kumagai, H.Park, Y.Tasaka
  • 雑誌名: Ocean Engineering 巻: 216 ページ: 108085
  • DOI: 10.1016/j.oceaneng.2020.108085
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical investigation of a single intermediate-sized bubble in horizontal turbulent channel flow (2020)
  • 著者名/発表者名: S.Kim, N.Oshima, Y.Murai, H.Park
  • 雑誌名: Journal of Fluid Science and Technology 巻: 15 ページ: 20-00285
  • DOI: 10.1299/jfst.2020jfst0020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 超音波スピンレオメトリーを用いた過渡的変化を伴う実効粘度の評価（分離を伴う水油混合液への適用） (2020)
  • 著者名/発表者名: 大家広平，芳田泰基，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • 雑誌名: 日本機械学会論文 巻: 890 ページ: 20-00242
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00242
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transient velocity profiles and drag reduction due to air-filled superhydrophobic grooves (2020)
  • 著者名/発表者名: A.Kitagawa, Y.Shiomi, P.Denissenko, Y.Murai
  • 雑誌名: Experiments in Fluids 巻: 61 ページ: 237
  • DOI: 10.1007/s00348-020-03070-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Linear stability analysis of bubble-induced convection in a horizontal liquid layer (2020)
  • 著者名/発表者名: K.Nakamura, H.N.Yoshikawa, Y.Tasaka, Y.Murai
  • 雑誌名: Physical Review E 巻: 102 ページ: 053102
  • DOI: 10.1103/PhysRevE.102.053102
  • 査読あり
• [雑誌論文] Wall shear stress modified by bubbles in a horizontal channel flow of silicone oil in the transition region (2020)
  • 著者名/発表者名: Y.Oishi, Y.Murai, Y.Tasaka
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Fluid Flow 巻: 86 ページ: 108748
  • DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108748
  • 査読あり
• [学会発表] The behavior of deformable bubbles inside boundary layers beneath a tilted plate (2020)
  • 著者名/発表者名: D.Yoon, H.Park, Y.Tasaka, Y.Murai
  • 学会等名: 11th Korean National Congress on Fluids Engineering (11NCFE)
  • 国際学会
• [学会発表] Ultrasonic measurement for void fraction and size of microbubbles in a thin channel flow (2020)
  • 著者名/発表者名: H.Park, S.Akasaka, Y.Tasaka, Y.Murai
  • 学会等名: 11th Korean National Congress on Fluids Engineering (11NCFE)
  • 国際学会
• [学会発表] 亜音速ベンチュリー管によるマイクロバブル発生と気泡分裂メカニズム (2020)
  • 著者名/発表者名: 村井祐一，田坂裕司，大石義彦，Patricia Ern
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2020
• [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
• [学会発表] 隙間流路における微小気泡の超音波モニタリング技術 (2020)
  • 著者名/発表者名: 朴 炫珍，赤坂信太郎，田坂裕司，村井祐一
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2020
• [学会発表] 水平チャネル乱流における気泡挙動 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大石義彦
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2020
• [学会発表] 超音波スピニングレオメトリを用いた粘弾性流体の拡張表現 (2020)
  • 著者名/発表者名: 大家広平，芳田泰基，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • 学会等名: 流体力学会年会2020
• [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: 流体力学会年会2020
• [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
• [学会発表] 気泡注入による摩擦抵抗低減のための気泡微細化デバイスの設計 (2020)
  • 著者名/発表者名: 青木 崚，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • 学会等名: 日本機械学会 第98期流体工学部門講演会
• [学会発表] 超音波パルスエコグラフィを用いた鉛直管内の混相流量モニタリング (2020)
  • 著者名/発表者名: 赤坂信太郎，尹桐翊，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • 学会等名: 日本機械学会 第98期流体工学部門講演会
• [学会発表] 傾斜壁面下の境界層内に注入された気泡挙動特性の計測 (2020)
  • 著者名/発表者名: 尹桐翊，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • 学会等名: 日本機械学会 第98期流体工学部門講演会
• [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
• [学会発表] 単一中間サイズ気泡の抵抗低減効果に対する直接数値 シミュレーション (2020)
  • 著者名/発表者名: キムサンウォン，大島伸之，村井祐一，朴炫珍
  • 学会等名: 日本機械学会 第98期流体工学部門講演会
• [学会発表] 長尺平板模型を用いた空気潤滑法による摩擦抵抗低減試験 (2020)
  • 著者名/発表者名: 若生大輔，濱田達也，川北千春
  • 学会等名: 日本船舶海洋工学会講演会論文集第30号
• [学会発表] 20m 長尺模型を用いた空気潤滑法によるボイド率分布と局所摩擦抵抗の低減に関する研究 (2020)
  • 著者名/発表者名: 濱田達也，若生大輔，川北千春
  • 学会等名: 日本船舶海洋工学会講演会論文集第30号