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2023 年度 実績報告書

回転円錐上の乱流遷移における遠心力の効果

研究課題

研究課題/領域番号 22K20406
研究機関信州大学

研究代表者

加藤 賢太郎  信州大学, 学術研究院工学系, 助教 (40967163)

研究期間 (年度) 2022-08-31 – 2024-03-31
キーワード三次元境界層 / 乱流遷移 / 流れの不安定性 / 光学計測 / 流れの可視化 / 渦
研究実績の概要

2023年度は,設計・製作した半頂角が7.5度の回転円錐を用いて,円錐上に生じる流れの可視化実験を行い,流れを支配する渦構造や乱流遷移位置を観察した.実験は大きさの異なる水槽を用い,流れに追従して配向するパールフレークを水に添加し,その反射光を撮影することで,渦構造を可視化し,その崩壊によって起こる乱流遷移の位置を特定した.また,水槽内で円錐を軸方向に牽引することで,相対的に軸流を流れに与え,軸方向速度が渦構造や乱流遷移位置に与える影響を評価した.結果から,軸流がある場合,円錐の回転数,局所半径で定義される遷移レイノルズ数は,回転速度と動粘性係数で無次元化された軸方向速度に強く依存することがわかった.一方で,軸流がない場合は,回転速度と動粘性係数に基づいた粘性スケールで水槽寸法を除した無次元スケールにその遷移レイノルズ数が依存することがわかった.乱流遷移前に流れを支配する渦構造は,軸流がある場合にはKohama(1984)が報告した構造と類似した円錐表面上に巻き付く螺旋状の渦構造が観察された一方で,静止流体中ではこの螺旋渦と逆向きに円錐上に巻き付く渦構造が確認された.
全体を通じて,これまで報告の少なかった細長い回転円錐上の流れの遷移点,渦構造,またこれらの軸流による影響を観察する環境が整い,定性的な流れの傾向を掴むことができた.また,流れの外部境界の影響など,これまでの境界層研究では比較的注目されていなかった乱流遷移に影響を与える要素を実験により明らかにした.信州大学での実験結果に加えて,これまで報告されている回転円錐上の流れのデータを横断的に調査し,層流相似解を仮定して,軸流中の細長い回転円錐上の乱流遷移を遠心力の指標であるゲルトラー数を用いて再評価し,遠心力が乱流遷移に重要な役割を果たしていることを示した.

備考

スウェーデン王立工科大学の流体物理研究所が毎年発行する研究所のプロジェクトの一覧(リンク先の画像をクリックすることで,pdfのダウンロードが可能).ダウンロードしたpdfのうち,73,74ページが本研究中の国際共同研究によるもの.

  • 研究成果

    (12件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (4件) (うち国際学会 1件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)

    • 国名
      スウェーデン
    • 外国機関名
      KTH Royal Institute of Technology
  • [国際共同研究] Indian Institute of Science Bangalore(インド)

    • 国名
      インド
    • 外国機関名
      Indian Institute of Science Bangalore
  • [国際共同研究] University of Leicester(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University of Leicester
  • [雑誌論文] Goertler-number-based scaling of boundary-layer transition on rotating cones in axial inflow2024

    • 著者名/発表者名
      Sumit Tambe, Kentaro Kato, Zahir Hussain
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: 25 ページ: R3

    • DOI

      10.1017/jfm.2024.379

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Flows Over Rotating Disks and Cones2024

    • 著者名/発表者名
      Alfredsson P. Henrik、Kato Kentaro、Lingwood R.J.
    • 雑誌名

      Annual Review of Fluid Mechanics

      巻: 56 ページ: 45~68

    • DOI

      10.1146/annurev-fluid-121021-043651

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Rotating disks and cones a centennial of von Ka'rma'n’s 1921 paper2023

    • 著者名/発表者名
      KATO Kentaro、LINGWOOD Rebecca J.、ALFREDSSON P. Henrik
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 18 ページ: JFST0003

    • DOI

      10.1299/jfst.2023jfst0003

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Flow instability and transition on a rotating slender cone in a confined space2024

    • 著者名/発表者名
      加藤賢太郎, 山田恭介, 高原宏祐, 松原雅春
    • 学会等名
      第69回「乱流遷移の解明と制御」研究会
  • [学会発表] 回転円錐上の三次元境界層における遷移と不安定性の可視化実験による観察2024

    • 著者名/発表者名
      山田 恭介, 高原 宏祐, 加藤 賢太郎, 松原雅春
    • 学会等名
      日本機械学会北陸信越支部 2024 年合同講演会
  • [学会発表] 回転円錐上の三次元境界層における遷移の可視化実験2024

    • 著者名/発表者名
      高原 宏祐, 山田 恭介, 加藤 賢太郎, 松原 雅春
    • 学会等名
      日本機械学会北陸信越支部 2024 年合同講演会
  • [学会発表] Scalings for eccentric Taylor-Couette-Poiseuille flow2023

    • 著者名/発表者名
      Kentaro Kato, P. Henrik Alfredsson, Rebecca J. Lingwood
    • 学会等名
      International Couette-Taylor workshop
    • 国際学会
  • [備考] Flow instabilities in eccentric TCP flow

    • URL

      https://www.flow.kth.se/projects

  • [備考] Transition in the rotating-cone boundary layer

    • URL

      https://www.flow.kth.se/projects

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公開日: 2024-12-25  

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