2012 Fiscal Year Annual Research Report
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24246033
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Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村井 祐一 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80273001)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
石川 正明 琉球大学, 工学部, 助教 (00398306)
田坂 裕司 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00419946)
北川 石英 京都工芸繊維大学, 工芸科学研究科, 准教授 (80379065)
大石 義彦 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (90617078)
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 准教授 (50597680)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 抵抗低減 / 境界層 / 気液二相流 / 気泡 / 乱流 / 船舶 / レオロジー①スイス / せん断②イギリス |
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| Research Abstract |
初年度は全体計画で策定した３つの制御スキームが予測どおり機能する条件をもつことを立証するための実験を行った．広域パラメータ空間での調査は次年度以降とし，意図的に理想的条件のみ扱ったチャンピォンデータを取得することから開始した．この戦略により本課題をロケットスタートさせる．二相流研究は強い非線形問題であり，単純な重合わせ法則が成立しないゆえの方策である．制御スキーム１「高周波数せん断応力場における微小気泡の複素粘度の利用」については，平行平板型と円筒型の振動クエット二相流検定装置を製作した．これに対してUVPを利用することで運動量伝達速度，すなわち実効粘度が計測され，気泡がキャピラリー数で１を越えて急変形する場合に，大きな粘度増加が計測された．また連携大学としてスイス連邦工科大学で気泡乱流レオロジーの測定装置の共同開発のための設計を行った．制御スキーム２「圧縮工程なしで船底に大量の気泡を発生する翼技術の開発」については，自作曳航水槽により２種類のNACA翼による水面変化，気泡発生性能の試験を行った．また，負圧原理による同様な低負荷気泡発生技術として回転翼の性能も一連のパラメータ研究を終えた．さらに水面データとCFDを結合するハイブリッド解析を実施し，翼の揚力，抗力などの特性を明らかにした．制御スキーム３「反復的気泡注入による再現性保証と下流持続性の拡大」については，気泡群の波状移流の自然形成を実験的に調査し，短波長の反復気泡移流との関連性を調べた．またマイクロバブルの間欠的発生実験を行い，気泡クラウドの横波移流特性を可視化した．このほか次年度以降への実船実験への準備のため，計測機材の設計，搭載方法などの基本設計を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
３つの柱としているスマート制御スキームのいずれも実験的進展があったため，総合判断として順調と自己評価する．気泡による複素粘度については，分散性混相流を対象とするUVPの計測限界を示すことができ，その範囲内で高精度の測定が行われた．とくに実験の精度検定を，既知である粒子分散系で実施し，従来の理論や文献値との一致を確認することができた．翼による気泡発生については，フルード数を支配因子として揚抗力特性が記述されることを実験的に確認できた．とくに，実験と計算を融合したハイブリッド解析は，フルード数が１前後の不安定で振動的な条件での界面挙動・気泡発生性能を，液相の流れ場から説明することを可能とし，翼の最適設計手段として，本ハイブリッド解析が今後，有効であることを示すことができた．反復的気泡発生法については，長距離の水平移流において自然に発達する気泡流のボイド波の，その初期成長メカニズムが明らかとなった．とくに高速度ビデオカメラによるPTV計測結果は，大小様々な気泡が混在する多分散系気泡流でも，極めて組織的な気泡どうしの干渉が存在していることを示し，自然発達するボイド波と，人工的に与えるボイド波の整合と相互増強を図るうえで重要なデータベースとなった．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の２月に，本課題の代表者，分担者が集い，外部から３名のアドバイザーを招き，成果報告，討論会を行った．アドバイザーは理研，海技研，ならびに海運会社から１名ずつお願いし，多様な意見，期待などについて伺った．その際，流体力学的な現象解明と，それと対を成す実用化研究の対照，ならびに３つの制御スキームによる２次元的な目標，マイルストーンの計画について評価を頂いた．その際の議論をもとに，今後の推進について以下のように考えている．
スキーム１：気泡による摩擦抵抗低減メカニズムはその遷移線図で示されているとおり多様である．その中に抵抗が増えてしまう「逆効果の谷」があり，それをいかにして回避するか，また，それがどうして形成されるかを調べることを優先すべきである．また，マイクロバブル領域では高いゲインをもち将来的可能性があるが，実寸としてのマイクロバブルよりも船舶における相似性が存在する可能性を検討する． スキーム２については，高ボイド率二相流時における翼性能が単相翼性能とどのように異なるかを早めに調査すべきである．二相状態の翼の圧力場と界面位置がロックインするなどの固有現象が存在する可能性がある．スキーム３の反復的気泡注入については下流の至るところで二相乱流境界層を過渡的発展状態で覆う操作として設計しているが，それが正しいかを長距離の実験設備で検討しなければならない．
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