Active振動系とPassive振動系の動的抗力係数と流体相互作用

2019 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04201
• 研究機関: 仙台高等専門学校
• 研究代表者: 永弘 進一郎 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (20419154)
• 研究分担者: 早川 美徳 東北大学, データ駆動科学・AI教育研究センター, 教授 (20218556)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 抗力係数 / 液膜流れ

研究実績の概要

研究計画の初年度として，２次元の液膜流れ装置の開発と，その流れ中の障害物に働く流体力の直接測定法の研究を行った。液膜流れ系は，３次元流れの風洞設備に加えて比較的安価に安定した流れが形成できる特徴を持つことに加えて，流体の可視化が容易であることと，周辺が肺胞されているために，測定において流れへのアクセスが容易であるという利点がある。
液膜流れには石鹸液を用いる。これまでに液膜が安定して流れることができるための流路幅や流量，用いるべき界面活性剤の濃度などを明らかにすることができた。
この流れの中に１０センチほどの繊維を固定すると，規則的な振動（はためき運動）が発生する。このはためき運動に対して，動的な効力を測定するための方法を検討した。繊維に発生する力は小さい。そこで細い金属棒の先端に糸を固定し，棒に加わる歪みを測定する方法を考案し試験を行った。この方法により力の検出は可能であったが，定量的な測定のためには誤差が大きすぎ実用に供さないと判断した。
本研究計画のためには，振動体に働く力の正確な測定が必須である。そこで，可視化した流れから抗力を推定する方法の検討に入った。具体的には液膜の厚さと流速を別々に求めて，そこから得られる運動量密度から効力を測定する。液膜厚さを得るためには流れのシュリーレン像を用いる。シュリーレン像の明暗は，流れの局所的な曲率を表しているので，適切なキャリブレーションを行うことができれば厚さを求めることができる。流速は，流れの中にトレーサー粒子をおくことで，PIVによって求められる。この２種類の可視化を同時に行うことは難しいが，まずは運動の規則性を利用して，力の測定を行う予定である。

現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

研究実績の概要にて述べたように，今年度は２次元の液膜流れ装置の開発と，その流れ中の障害物に働く流体力の直接測定法の研究を行った。液膜流れ装置の開発は当初の予定通り順調に進展し，すでに実験室内で安定した液膜流れを実現し，各種の測定装置を取り付ける環境も出来上がっている。しかしながら，２次元流れに設置した振動体の効力測定について，研究計画段階で考えていた方法を試したところ，必ずしも定量的な測定に適さないことが明らかになった。そのため進捗状況は「やや遅れている」と判断する。

今後の研究の推進方策

研究計画の２年目は，流れの可視化による効力測定の実現に注力していく。通常の風洞実験にて同手法を適用することは，流れの中の詳細な圧力分布が必要になるために現実的ではない。液膜流れでは，流れの圧力は一定であるためにこの手法が優位になる。
現段階において，液膜流れにトレーサー粒子を混ぜて，PIVによって流速場を得る方法は概ね実現できている。粒子密度の調整と，照明の照度や入射角などの試行錯誤を行うことで，より詳細な速度場が得られると考えている。また，流れのシュリーレン撮影は特に困難なく行うことができるが，シュリーレン像から液膜の厚さを求める計算は，液膜境界の境界条件が不明決して単純ではないと考えている。これについては，全体の流量から道変数を求めるか，また液膜境界の厚さだけを別の直接測定によって明らかにすることを考えている。

次年度使用額が生じた理由

共同研究者の支出において，年度末に予定していた出張がコロナウイルスの関係で中止となったため，残高が生じた。