添加剤を用いた流体輸送システムの高効率に関する研究

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12750829
• Research Institution: Kumamoto University
• Principal Investigator: 宗像 瑞恵 熊本大学, 工学部, 助手 (30264279)
• Keywords: 流体輸送 / 非ニュートン流体 / 抵抗低減 / 旋回流 / 界面活性剤溶液 / LDV / LES / せん断乱流

Research Abstract

円管内乱流の実験では添加剤による著しい抵抗低減効果を確認し,LDV計測により乱流構造を調査した.四象限分類法や条件付アンサンブル平均法を用いて詳細な組織構造の解析を行い,壁面近傍でのスゥイープやイジェクションの振幅の減少やイジェクションの起きる確率が減少し一象限の現象確率が増加することが特徴的であり,高い抵抗低減率を得やすい界面活性剤溶液の場合,各象限で生じる確率は同程度となりニュートン流体の壁面乱流の組織構造とはかなり異なることが明らかとなった.また,レイノルズ応力の測定にあたり,2カラー4ビーム形式の二次元LDV計測によりレイノルズ応力を高精度に計測する方法について調査し,二方向の速度の同期時間が重要であることを示した.
矩形管内旋回流の場合,まっすぐなせん断乱流では界面活性剤添加により認められていた抵抗低減効果が見られなくなった.しかし,測定部が短いため過渡的な旋回流の観測であったことやコーナー部の影響と旋回による影響が区別しにくいため,本年度は十分長い円管内旋回流装置を製作し,濃度や流速を変えて流動特性を調査した.その結果,140ppmでは抵抗低減が見られなかったが,さらに250ppm以上に濃度を高くすれば旋回流場においても60%程度の抵抗低減効果が得られた.ただし,まっすぐなせん断乱流よりもその効果は低下した.調査した範囲内では流速は高くなるほどその抵抗低減率は低下した.今後,旋回角度,パイプ径などを変えた実験や十分長い矩形管内旋回流についても調査を試みる予定である.
まっすぐなせん断乱流の非ニュートン流体の数値計算については,粘弾性モデルとしてFENE-P(Finitely Extensible Non-linear-Peterlin)モデルを用いたチャンネル乱流のLESを試みた.添加剤の高分子鎖の最大伸張長さを変えて解析したところ,長い方が抵抗低減効果が得られることが確認でき,流れ方向の高分子伸張が大きいことがわかった.

Research Products

• [Publications] Munekata Mizue: "Coherent Structure of Drag Reducing Solution Flow in a Cylindrical Pipe"Emerging Technologies in Fluids, Structures, and Fluid/Structure Interactions. 414・2. 73-79 (2000)
• [Publications] Munekata Mizue: "A Study on Reynolds Shear Stress Measurement by LDV"Journal of Thermal Science. 10・1. 7-13 (2001)
• [Publications] 宗像瑞恵: "界面活性剤溶液の矩形管内旋回流に関する研究"日本機械学会 流体工学部門講演会講演概要集. 00-14. 169 (2000)