2013 Fiscal Year Annual Research Report
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24246033
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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)
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 准教授 (50597680)
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)
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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 / せん断 |
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| Research Abstract |
平成２５年度は，初年度である平成２４年度の第一段階の成果をもとに，二相流の境界層制御に関する３つの制御スキームの実験的研究を発展させた．二相流は強い非線形現象をもち，単純な重合わせ法則が成立しないため，このことについて各分担者がそれぞれの項目の究明を実施した．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，高濃度の気泡数密度を人工的に安定に形成する手法を開発し，レオメータによってボイド率30～60%の範囲の実効粘度の計測を実施した．この結果，液体単相に比べ粘度が100倍以上になることを発見し，英文誌に投稿した．また，非定常せん断がある特定周波数のとき顕著な粘弾性が発現することが実験的に立証された．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，自作の曳航水槽により三次元翼ならびに配列多孔翼による気泡発生性能の試験を実施し，従来のNACA翼より高性能であることを見出した．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，自由な波形で気泡発生流量を脈動させることが可能な装置を導入し，下流における気泡群の波状移流の自然発達を計測した．また，乱流摩擦を支配する縦渦環境で，マイクロバブルの影響を調査し，単相とは異なる乱れ沈静化作用があることを確認した．さらに壁面の撥水性が気泡挙動に及ぼす影響について明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed 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な発見があり，総合判断として極めて順調と自己評価した．気泡による複素粘度については，乱流渦が気泡群を局所的に高い数密度でその中心に捕獲し，その結果，周囲の100倍の粘度を呈することで，渦バーストに至る前に渦消散するというシナリオが確実視できるようになった．これは微小気泡による乱流の沈静化や再層流化の基本原理を説明するものとなった．翼による気泡発生については，負圧作用のみならず縦渦による気泡群の深い位置までの誘導作用を組み合わせることが可能となった．反復的気泡発生法については，ボイド率を移流・拡散・分散の３項による微分方程式でモデル化し，とくに分散項に由来する孤立波が，長距離の下流における波動性を確保することが提唱された．また，気泡群の孤立波がチャネル内でもたらす乱流渦変調について２色可視化法により定量可視化し英文誌に投稿した．さらに代表者は本課題から得られた最新結果と対比しながら過去40年にわたる世界中の気泡による摩擦抵抗低減の科学・技術について，混相流国際会議でキーノート講演を行い，多数の研究者と本課題の研究促進に向けた情報交換を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度に引き続き平成26年3月に，本課題の代表者，分担者が集い，外部から４名のアドバイザーを招き，成果報告，討論会を行った．アドバイザーは海技研，東京大，海洋大，ならびに海運会社から１名ずつお願いし，有益な意見と今後の期待などについて伺った．その際，大学実験室での物理的な基礎研究から得られた知見を，即座に船舶に応用できるかどうかを計画的に試験する必要性を指摘いただいた．これを鑑み，今後の推進方策を以下のように予定する．スキーム１：微小気泡が乱流渦を鎮圧する現象が，実船条件で成立するかを知るため，相似則を構築し外挿設計を行う．このために100Hz以上の高周波せん断と，乱流渦の非定常歪み変形波形を再現したレオメトリで計測する．この計測には連携大学のスイスETHと，英国ウォーリック大学に協力を得る．スキーム２：翼による気泡発生の船舶への応用限界を与える喫水について調査する．特に，負圧により発生する二相流の双安定性とヒステレシスを実験的に解明し，設計に活かす．スキーム３：反復的気泡注入による乱流摩擦抵抗効果の促進について，PIVとUVPによる境界層内挿構造の計測を行う．また，外部流としてのボイド波の下流持続性について水槽実験を行い，船舶航行の応用条件を明らかにする．
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