気泡による壁面摩擦抵抗の知的低減

利用气泡智能减少壁面摩擦阻力

• 批准号: 06J04292
• 负责人: 大石 義彦
• 金额: $ 1.22万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2006
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2006 至 2007
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-06J04292/
• 关键词: 抵抗低減; 気泡; 乱流; 乱流構造; チャネル流れ; 可視化計測; 画像解析; PTV(粒子追跡法); 気泡流; 画像処理

気泡のまわりに如何なる流れ場が誘発されてレイノルズせん断応力を低下させるのか,という現象論上の因果関係を可視化実験によって解明することが本研究の目的である.特にレイノルズせん断応力に影響する縦渦に足して気泡がどのような振舞いをするのかという点に注目した.チャネル内に20〜30μmのマイクロバブルを電気分解によって発生させ,乱流中におけるマイクロバブルの挙動を乱流構造の可視化を行った.乱流構造の可視化にはKalliroscopeという2〜10μm以下の板状の微粒子を用いた.マイクロバブルの挙動をPTVによって計測すると,気泡がスパン方向に振動することが確認された.これによって,マイクロバブルが乱流構造に干渉しそれぞれの運動特性によって相互に壁面摩擦に働きかけていることを示唆することが得られた.また,人工的に発生させた縦渦に気泡を混入させ,気泡と縦渦のそれぞれの影響を調査した結果,縦渦の渦度が減少し渦核の距離が離れることがわかった.さらに気泡の移流速度は縦渦の回転速度よりも遅く,その回転時の振動周期が異なることがわかった.層流から乱流までの低Re数で実施されていることである.これは数値シミュレーションでの対応が取れる実験であることである.これまでに数値シミュレーションで問題となっていた気泡によって誘発された擬似乱流の影響をシミュレーションのモデルに含めるか否かを判断する重要な材料となった.また,本研究中に本研究では気泡界面と壁面せん断応力を動機計測することにより気泡が通過した後に摩擦が低減することを確認し,この低減効果を表す瞬時ゲインが3.5〜5.0(平均で2.0程度)であることが確認された.これは気泡群が壁面を通過した後,低減効果が持続されることを意味する.これは単に気泡を吹き込むことで摩擦抵抗を抑制させるのではなく,気泡の吹き込みを制御することで積極的な摩擦制御につながる.本研究課題では「単一気泡周りの流れ場が引き起こす摩擦抵抗増減効果」,「気液界面で汚れの影響を含まない条件での摩擦抵抗低減効果」,「微細気泡と乱流構造の干渉」の現象を可視化し包括的な解明のための基礎を築いた.

这项研究的目的是阐明在气泡周围引起的流场的现象学因果关系，以通过可视化实验来减少雷诺剪切应力。我们特别关注气泡的行为，将它们添加到影响雷诺剪切应力的纵向涡旋中。通过电解在通道中产生了20-30μm的微泡，并可视化了微泡在湍流中的行为。为了可视化湍流结构，使用KalioRoscope可视化湍流结构。使用下面的板状细颗粒，我们使用PTV测量了微泡的行为，并确认气泡在跨度方向上振动。这表明微泡会由于其运动特征而互相干扰湍流结构，并在壁摩擦上作用。此外，当将气泡混合到人为产生的垂直涡旋中时，研究了气泡和垂直涡旋的影响，并减少了垂直涡旋的涡度，并且涡旋涡流之间的距离更宽。此外，气泡的对流速度比垂直涡流的旋转速度慢，并且观察到旋转时的振动。发现运动周期不同。它是从层流流到湍流的低RE数字进行的。这是一个可以在数值模拟中解决的实验。它已成为确定气泡诱导的伪扰动流的影响（在数值模拟中的问题）是否应包括在模拟模型中。此外，在这项研究中，在这项研究中，我们证实，通过使用动机来测量气泡界面和壁剪应力后，气泡通过后减少了摩擦，而代表这种还原效应的瞬时增益是确认该范围为3.5-5.0（平均约为2.0）。这意味着在气泡通过墙壁后，还原效应是持续的。这不仅仅是通过吹气泡来抑制摩擦电阻，而是通过控制注射气泡来抑制摩擦的摩擦控制。该研究主题可视化了“增加或减少由单个气泡周围的流场引起的摩擦阻力的影响或减少摩擦界面的影响”的现象。

项目成果

水平壁面乱流境界層内の単一気泡がもたらす流動場変調

水平壁湍流边界层中单个气泡引起的流场调制

• 发表时间: 2007
• 期刊: 日本機械学会論文集B編 73
• 作者: Ryuta Muromoto;Masato Ishida;Kenji Sugiyama;Yuichi Sekine;Kenji Oritani;Kazuya Shimoda;Tadashi Matsuda;大石義彦
• 通讯作者: 大石義彦

乱流チャネル中における単一気泡周りの流れのPTV計測

PTV 测量湍流通道中单个气泡周围的流动

• 发表时间: 2006
• 期刊: キャビテーションに関するシンポジウム(第13回)講演論文集 NO.6
• 作者: Ryuta Muromoto;Masato Ishida;Kenji Sugiyama;Yuichi Sekine;Kenji Oritani;Kazuya Shimoda;Tadashi Matsuda;大石義彦;Yoshihiko Oishi;大石義彦
• 通讯作者: 大石義彦

乱流中における気泡直径別に見る摩 擦抵抗低減機構の検討

基于气泡直径的湍流摩阻减阻机理研究

• 发表时间: 2007
• 作者: Ryuta Muromoto;Masato Ishida;Kenji Sugiyama;Yuichi Sekine;Kenji Oritani;Kazuya Shimoda;Tadashi Matsuda;大石義彦;Yoshihiko Oishi;大石義彦;大石義彦;大石義彦;大石義彦;Yoshihiko Oishi;Yuichi Murai;Yuichi Murai;大石義彦
• 通讯作者: 大石義彦

Waveforms of local frictional drag modified by bubbles

气泡修正的局部摩擦阻力波形

• 发表时间: 2006
• 期刊: Proc. European Drag Reduction ＆ FC Meeting 1
• 作者: Y.Oishi;Y.Murai;et al.
• 通讯作者: et al.

カリロスコープによる気泡を含む壁面乱流の可視化

使用口径镜可视化包括气泡在内的壁湍流

• 发表时间: 2006
• 期刊: 第84期日本機械学会流体工学部門講演会CD-ROM版講演論文集 708
• 作者: Ryuta Muromoto;Masato Ishida;Kenji Sugiyama;Yuichi Sekine;Kenji Oritani;Kazuya Shimoda;Tadashi Matsuda;大石義彦;Yoshihiko Oishi;大石義彦;大石義彦;大石義彦;大石義彦
• 通讯作者: 大石義彦