2021 Fiscal Year Annual Research Report
Relaminarization and maximum drag reduction in turbulent boundary layer flow due to high speed injection of surfactant solution
| Project/Area Number |
20H02065
|
|---|
| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
玉野 真司 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40345947)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森西 洋平 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (40222351)
山田 格 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40772067)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 乱流境界層 / 界面活性剤 / 抵抗低減 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、粘弾性流体の特異な流動現象である「最大抵抗低減流れ（MDR流れ）」の生成・維持における「粘弾性」の役割を明らかにすることを目的とする。そのため、ニュートン流体（水）および非ニュートン流体（粘弾性流体である界面活性剤水溶液）を平板上乱流境界層流れに壁面高速注入（主流の数倍程度大きい速度で壁面に沿って注入）することで「流れの完全再層流化」（層流が十分に下流でも維持される）を図る。実験においては、溶液の高速注入が可能な注入機構を構築し、可視化観察、およびPIV計測を実施する。数値計算においては、溶液の高速注入に対応した流入境界条件および界面活性剤水溶液のレオロジー特性を忠実に再現したDNSを実行する。「溶液の壁面高速注入による完全再層流化の効果」と「粘弾性流体の持つ抵抗低減効果」の類似性に着目しつつ、実験と計算の両面から「MDR流れの生成・維持機構」を解明する。
2021年度は、実験については、まず、高圧マイクロフィーダーを用いた壁面平行高速注入を可能とするシステムを構築した。次に、ローダミンBを用いた染料可視化観察により、壁面に平行かつスパン方向に一様に溶液注入がなされることを確認した。さらに，水および界面活性剤水溶液を壁面に平行に高速注入した場合のPIV計測を行い、著者らによる従来研究である水および界面活性剤水溶液を壁面に対して30°の角度で低速で注入した場合との比較を行った。また、数値計算については、実験に対応した入り口境界条件を模擬した直接数値シミュレーションを実施し、壁面高速注入が乱流統計平均量および乱流構造に及ぼす影響を調査した。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
初予定した通り、加圧タンク（圧力調整機能付き）を用いた溶液注入システムを構築し、水および界面活性剤水溶液を壁面に平行に高速注入した場合の可視化観察ならびにPIV計測を実施した。主流に対する注入速度比は1.0倍および1.4倍とした。水の壁面高速注入により、平均速度分布の境界層の中央部付近において平坦な領域が現れ、レイノルズせん断応力が大きく抑制されることが明らかになった。また、界面活性剤水溶液の壁面高速注入により、高速注入の効果と粘弾性効果との複合効果により、水よりも下流域までレイノルズせん断応力の抑制されることが明らかになった。さらに、本実験に対応した数値計算を実現するため、乱流境界層流れのDNSを実施した。主流に対する注入速度比は１～３とした。その結果、水および粘弾性流体の注入により，上流域では大幅な抵抗増加となるものの、中流域においては過渡的な抵抗低減効果が得られること、レイノルズせん断応力が負の領域が現れることが明らかになった。また、粘弾性流体の場合、実験と同様に、高速注入の効果と粘弾性効果の複合効果が観察された。
|
| Strategy for Future Research Activity |
実験については、壁面ごく近傍におけるPIV計測を行い、抵抗低減率の流れ方向変化を明らかにする。そして、乱流構造の調査を通して、レイノルズせん断応力の抑制効果、ならびに抵抗低減メカニズムの解明を図る。数値計算では、乱流構造や圧力分布の調査を通じて、負のレイノルズせん断応力のメカニズムを明らかにする。さらに、粘弾性流体の構成方程式モデル（FENE-Pモデル）と流動性（粘度の逆数）の方程式をカップリングした新しい構成方程式モデルを用いて、界面活性剤水溶液の壁面高速注入を模擬した大規模なDNSを実行し、特に実験では得られない「粘弾性応力の流れ方向変化」に着目することで、壁面高速注入による抵抗低減メカニズムを明らかにする。
|
