壁面進行波を用いた乱流摩擦抵抗低滅デバイスの開発研究

壁行波湍流摩擦阻力减阻装置的研制

• 批准号: 07F07821
• 负责人: 深潟 康二
• 金额: $ 1.02万
• 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: 2007
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2007 至 2009
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-07F07821/
• 关键词: 摩擦抵抗低減; チャネル流; 進行波状吹出し・吸込み; ぜん動運動; 数値シミュレーション; 弱非線形解析; FIK恒等式; エネルギー; 壁乱流; 制御; 壁面変形; 理論; モデル化

壁乱流における摩擦抵抗は同じレイノルズ数の層流に比して格段に大きいが,これは壁面近傍のレイノルズせん断応力に起因することが数学的に示されている(FIK恒等式;Fukagata et al.,Phys.Fluids,2002).したがって,乱流摩擦抵抗を低減させるには,壁面近傍のレイノルズせん断応力を低減させれば良い.本研究ではこのアイデアを,壁面の変形によって実現する.本研究により,フィードバック制御に比して大幅に単純で制御効果も大きく,実用化可能性も高い乱流摩擦抵抗低減デバイスを開発できることが予想できる.本年度は2次元チャネル層流を取り上げ,この壁面にぜん動運動を加えたものと,これと同じ速度を持つ吹出し・吸込み速度を持つ壁面進行波を加えた系の数値シミュレーションを行い,その摩擦抵抗低減効果を比較した.どちらの場合にも通常のポンプによる流量がゼロで一方向の流速が得られ,これは摩擦抵抗低減というより壁面からのポンピング効果であることが説明された.また,ぜん動運動と吹出し・吸込みでは誘起される流れが逆方向となることが示され,その機構が弱非線形理論を用いて境界条件を展開した際に現れる2次の項の影響であると説明された,また,通常のポンプ動力と制御に必要な動力の和の観点から抵抗低減効果を再定義し,層流に対して壁面のぜん動運動あるいは進行波状吹出し・吸込みを行った場合には,同じ流量を得るための制御エネルギーが大きくなることが示された.またその制御動力に対するレイノルズ数の影響はぜん動運動と進行波状吹出し・吸込みでは異なる傾向になることが分かり,これらより既存の吹出し・吸込みを用いた乱流の3次元直接数値シミュレーションの結果はそのまま進行波状壁面運動デバイスの設計には用いることができないことが結論づけられた。

壁湍流中的摩擦电阻明显大于相同雷诺数的层流流，但在数学上已证明是由于墙壁附近的雷诺剪切应力引起的（FIK身份； Fukagata等人； Fukagata等人，Phys.Fluids，2002）。因此，为了降低湍流抗性，只有减少雷诺在壁表面附近剪切应力。在这项研究中，可以通过变形壁表面来实现这一想法。这项研究预测，可以开发出一种比反馈控制更简单的湍流抗摩擦力降低装置，并且具有更大的控制效果，并且很可能是实用的。今年，我们摄入了二维通道层流，并对该系统进行了数值模拟，该系统将蠕动运动应用于该壁表面和具有相同速度和相同流速的流速的壁行动波，并比较了降低摩擦抗性的效果。在这两种情况下，来自正常泵的流速为零，并且可以获得单向流速，这是从壁表面泵送的效果，而不是降低摩擦抗性的效果。还表明，诱导的流动在蠕动运动与吹和吸力之间的方向相反，并且该机理是使用弱非线性理论开发边界条件时出现的二阶项的影响。还可以解释说，电阻降低效果是根据正常泵功率和控制所需的功率重新定义的。还发现，雷诺数对控制能力的影响具有不同的蠕动运动，行进波和吸力的趋势，并且在行进波和吸力设备的设计中，使用现有的吹气和吸力不能使用现有的吹气和吸力来对湍流进行三维直接数值模拟的结果。

项目成果

Pumping or drag reduction?

泵送还是减阻？

• 发表时间: 2009
• 期刊: Journal of Fluid Mechanics 635
• 作者: Hoepffner J.;Fukagata K.
• 通讯作者: Fukagata K.

Peristalsis and Hydrodynamic instabilities

蠕动和流体动力学不稳定性

• 发表时间: 2008
• 作者: Hoepffner;J.;Fukagata;K.
• 通讯作者: K.