| 研究課題/領域番号 |
17K06963
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| 研究機関 | 横浜国立大学 |
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研究代表者 |
高木 洋平 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 特任教員(准教授) (40435772)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | ハイドロゲル / 抵抗低減 / 乱流 / 数値シミュレーション / 水槽試験 / 船底塗料 |
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| 研究実績の概要 |
流体中で水和層を形成するハイドロゲル船底塗料の摩擦抵抗低減効果を解明するために、回流水槽による抵抗試験と、ハイドロゲルの数値モデルを用いた数値シミュレーションを実施した。回流水槽による抵抗試験では、長さ1.6 m、幅0.56 mのアルミ平板に船底塗料と塗布し、流速1.1m/sの設定流速までのレイノルズ数範囲で平板に働く抵抗力を測定した。試験塗料は水和性を示さない硬化塗料と水和性を示すハイドロゲル塗料であり、それぞれの塗料に対して平板前縁に乱流促進装置をつけた場合(完全発達乱流)とつけない場合(遷移域乱流)での試験を行った。平板上の境界層においても従来の回転二重円筒試験と同様にハイドロゲル塗料で抵抗低減効果が得られ、特に遷移乱流域での効果が高いことがわかった。一方、数値計算による検討では、ハイドロゲルのモデルとして流体透過性を持つ塗膜面を考慮し、実際の塗装で問題となる表面粗度についてもモデルに組み入れた。ランダムな等方的な粗度を持つハイドロゲル塗料では顕著な抵抗低減効果が現れなかったが、流れ方向に配向した非等方な粗度分布を与えると、粗度があっても抵抗低減効果が現れることがわかった。実験及び数値計算のどちらにおいても壁近傍での乱流渦の配向を変化させることによって抵抗低減効果が大きく異なることが示され、実験結果と数値計算結果を結びつけてハイドロゲル内のメソスケールな流体挙動をモデル化できる可能性が見出された。
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| 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
実験に関しては当初計画では循環型平水路を作製し、塗料を塗布したテストセクションでの差圧測定を実施する予定であったが、所属機関が保有する回流水槽での平板抵抗試験によって代替することが可能となり、実際の船底塗料の摩擦抵抗低減効果を実験的に確認することができ、平成29年度の実験による目的は概ね達成できたと判断できる。一方、数値シミュレーションに関しては、従来から検討していたハイドロゲルの数値モデルを高度化して平行平板間乱流の直接数値シミュレーションを実施することができ、メソスケールモデル開発のための基礎的な知見が得られたと判断できる。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験による抵抗試験によって良好な結果を得ることができたため、従来の数値シミュレーションモデルを平行平板間乱流だけでなく、実験に対応する平板境界層乱流に応用する。また、実験においては遷移乱流域において顕著な抵抗低減効果が得られたので、平板前縁部に設けた乱流促進装置もシミュレーションにおいて正確にその効果を再現し、遷移する流れにおける乱流渦とハイドロゲル塗膜の干渉について数値的に明らかにする。しかしながら、平板境界層乱流の数値シミュレーションは平行平板間乱流に比べて計算コストがかなり大きくなるため、大規模並列計算の導入によって解析時間の削減を試みる。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
当初計画では循環型閉水路を作製するために装置部材や測定装置の購入のための物品費を計上していたが、所属機関が保有している回流水槽にて代替実験を行うことが可能となったため、物品費が減少した。増加した次年度使用額については、回流水槽における流体計測の高精度化のために、壁面せん断力や乱流変動成分の測定のための物品費に使用する。
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