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

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。

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。