エネルギー利用の高効率化のための乱流摩擦抵抗低減手法の提案

高效能源利用湍流摩擦减阻方法的提出

• 批准号: 21J12282
• 负责人: 難波江 佑介
• 金额: $ 0.96万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-28 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J12282/
• 关键词: 流れの制御; 進行波制御; 直接数値シミュレーション; 乱流; 高レイノルズ数

乱流摩擦抵抗低減のための流れの制御手法の確立は，エネルギー利用の効率化に大きく貢献できると期待されている．特に，壁面変形による主流方向進行波は，再層流化を始めとする大きな抵抗低減効果がこれまでに確認されており，加えて，実験においても抵抗低減効果が確認されていることから，より実装に近い制御手法であると言われている．そこで，この進行波制御についての検証を行った．従来の進行波(一様な進行波)にスパン方向変位を持たせた進行波(ウェーブマシン状進行波)による制御効果の調査を行った．スパン方向波長が小さくなるにつれて抵抗低減率およびエネルギー削減率が小さくなり，全ケースで一様な進行波の場合よりも小さくなった．乱流統計量の比較およびFIK恒等式による解析から，抵抗低減率が最大となった場合(スパン方向波長が最も長い場合)では，ウェーブマシン状の壁面挙動により生成された大規模構造が乱流成分を大きく減少させた一方，この大規模構造による周期成分が抵抗を増加させる方向に働き，抵抗低減効果を低下させることが明らかとなった．しかし，スパン方向に完全に一様でなくとも一定の抵抗低減効果が得られることから，進行波制御の実装可能性が広がったといえる．より高いレイノルズ数における制御効果の調査を行うため，ラージ・エディ・シミュレーション(LES)を用いた一様な進行波の制御効果の調査を行った．最もシンプルなスマゴリンスキーモデルでも，非制御時・制御時の平均流速分布はDNSの結果と良い一致を示した．また，計算コストの関係からDNSによる検証が不可能であった10の3乗オーダーのレイノルズ数下で得られた抵抗低減率は，先行研究で提案された半経験式による抵抗低減率の予測値に概ね一致した値となり，先の半経験式の妥当性が示されたといえる．今後は，高レイノルズ数における詳細な抵抗低減メカニズムの調査を行っていく予定である．

建立一种以减少湍流抗抗性能力的流控制方法有望显着促进能量利用效率。特别是，已确认由壁变形引起的主流行进波具有较大的抗性降低效应，包括复合流动，此外，在实验中已经确认了耐药性降低效应，因此据说它是一种更接近实施的控制方法。因此，我们对这种行驶波控制进行了验证。我们研究了在传统行驶波的跨度（均匀行驶波）的跨度方向上位移的行驶波（波动机状行动波）的控制效果。随着跨度方向的波长变小，电阻降低速率和降低速率变得较小，在所有情况下，它都比统一行进波小。比较使用FIK认同的湍流统计和分析的比较表明，当阻力降低速率处于最大值时（当跨度方向的波长是最长的）时，波动机的墙壁行为产生的大规模结构大大降低了湍流成分，而这种大规模结构的周期性成分会增加阻力，从而增加电阻，从而增强效率。但是，由于即使在跨度方向上并不完全均匀，也可以达到恒定的电阻降低效果，因此可以说实施波动波控制的可能性已经扩大。为了研究较高雷诺数的控制效果，我们使用了大型涡模拟（LES）研究了均匀行进波的控制效果。即使在最简单的Smagorinski模型中，在不受控制和受控条件下的平均流速分布与DNS结果良好。此外，根据雷诺的数量，在10立方功率上获得的抗性降低率，由于计算成本关系而无法使用DNS验证，这与先前研究中提出的预测抗性降低率大致一致，这表明了先前的半音公式的有效性。将来，我们计划详细研究较高雷诺数的耐药性降低机制。

项目成果

Drag reduction effect of wave-machine-like traveling waves in turbulent channel flow

湍流河道流中类波机行波的减阻效应

• 发表时间: 2021
• 作者: Yusuke Nabae;Koji Fukagata
• 通讯作者: Koji Fukagata

Bayesian optimization of traveling wave-like wall deformation for friction drag reduction in turbulent channel flow

用于减少湍流通道流中摩擦阻力的行波状壁变形的贝叶斯优化

• DOI: 10.1299/jfst.2021jfst0024
• 发表时间: 2021
• 期刊: Journal of Fluid Science and Technology
• 影响因子: 0.8
• 作者: Y. Nabae and K. Fukagata