壁面振動による流体摩擦抵抗低減とそのメカニズム解明

壁面振动引起的流体摩擦阻力减少及其机制的阐明

• 批准号: 13750130
• 负责人: 石川 仁
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750130/
• 关键词: 流体工学; 抵抗低減; 流体摩擦; 境界層; 縦渦; ストリーク; 乱流; 壁面振動

本研究は、物体の表面(壁面)の一部を流れに対し垂直に振劾させるによって、流体摩擦抵抗を低減すること、およびその抵抗低減メカニズムを解明することを目的としている。実験は、乱流境界層が十分に発達した平板の一部を、モーターによって駆動されるクランク機構を介して振動させた。振動振幅は5.0〜17.5mm、振動周波数は1〜8Hzである。測定を行った主流速度は2.0m/s、平板前縁からの距離を代表長さとしたレイノルズ数Re_xは1.2x10^5である。抵抗低減の割合は、自作プレストンチューブにより測定した壁面せん断応力から算出した。本研究では、振動する壁面上のせん断応力を測定しなければならないので、壁面貼付式のせん断応力センサーよりも、プレストンチューブによる測定が好都合であった。実験の結果、振動周波数と振幅がともに大きいほど、摩擦抵抗の大幅な低減が達成された。とくに振幅が15mm、振動周波数が7Hzのとき、最大21%の抵抗低減が可能になった。これはリブレットによって得られる摩擦低減効果(約8%)よりはるかに大きいものである。また、振動周波数の変化よりも、振幅の変化が与える効果のほうが大きいことが明らかになった。低減低減のメカニズムについては、主流のない振動平板上に発達するストークス層に関連させて考察を行った。ストークス厚さδ^+は次式で定義される。δ^+=√<2v/ω>すなわち、振動周波数ωが大きいときにストークス層厚さは薄くなるが、逆に粘性vの彰響、すなわち摩擦抵抗は小さくなるといえる。このことは本研究の振動周波数が大きくなると、摩擦抵抗低減の効果が大きいことに合致した結果である。

这项研究旨在降低流体摩擦的耐药性，并通过挥动垂直于流动的一部分（壁）来降低物体的抗性的机制。实验振动了板的一部分，其中通过电动机驱动的曲柄机构完全开发了湍流边界层。振动幅度为5.0至17.5毫米，振动频率为1至8 Hz。测得的主流速度为2.0 m/s，雷诺数re_x是距平板前缘距离的代表长度，为1.2x10^5。电阻降低速率是根据用自制的普雷斯顿管测量的壁剪应力计算的。在这项研究中，由于必须测量振动壁表面上的剪切应力，因此使用Preston管的测量比壁挂式剪切应力传感器更有利。该实验表明，振动频率和振幅越高，达到摩擦电阻的越大。特别是，当振幅为15mm并且振动频率为7Hz时，电阻可以降低多达21％。这远远大于Riblet实现的摩擦减少效应（约8％）。还已经揭示了振幅变化的影响大于振动频率变化的影响。讨论了减少还原的机理，该机制与在非主流振动板上发展的Stokes层有关。 stokes厚度δ^+由以下公式定义：δ^+ =√<2v/ω>即，当振动频率ω较大时，stokes层厚度变薄，但另一方面，粘性V，粘性v，非洲的摩擦力变小。这是该研究的结果与当这项研究的振动频率增加时降低摩擦抗性的巨大影响。

项目成果

杉本寛之, 石川 仁, 武田 靖: "スパン方向振動による流体摩擦抵抗低減の試み"第32回日本機械学会北海道学生会講演前刷集. 39 (2003)

Hiroyuki Sugimoto、Hitoshi Ishikawa、Yasushi Takeda：“尝试通过跨度方向振动减少流体摩擦阻力”第 32 届日本机械工程师学会北海道学生会议预印本集 39（2003 年）。