Mechanism and prediction of drag modulation in wall-bounded turbulence by additives

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界面活性剤や高分子を乱流に添加することにより流体は粘弾性を発現し，壁面摩擦抵抗が劇的に低減する現象が知られる．本研究課題では，この現象を最大限活用した工学応用に向けて，乱流のプラットフォームとして，非常に高いReynolds数の乱流を実現できる回転二重円筒間流れ（Taylor-Couette流）の装置を利用した系統的な実験研究を行う．2022年度では，内外円筒の回転角速度を系統的に変化させた場合の乱流に対してトルク計測と粒子画像流速測定（PIV）による速度場計測を実施し，この二つの実験に関して，予定していたパラメタ域でのパラメタサーベイが完了した．内円筒にかかるトルク計測より，界面活性剤の添加により，壁面摩擦の低減と増加の両方が起こりえることが判明した．とくに，抵抗低減が生じるのは内外円筒が逆方向に回転して流体につよいせん断が加わる場合であり，実験を行ったパラメタ域では同方向に回転あるいは内円筒のみが回転する場合では顕著な抵抗増大が認められた．これは，内円筒のみが回転する場合の抵抗増大を報告する先行研究の知見を拡張する結果であり，Taylor-Couette流でも抵抗低減が生じることを示した，すなわちこの流れ場が抵抗低減現象を調べるための基礎的な流れ場であることを実証した点で非常に意義深い．さらに，流体にくわわるせん断を考慮した新しいReynolds数を考慮することで，円筒の様々な回転状態における抵抗の増加から低減までを統一的に議論可能であることを示した．流速計測から得られた平均流速場からは，抵抗増大が生じる場合には円筒間ギャップの広い範囲にわたって剛体回転的に回転する領域が存在することが明らかとなった．この結果から，この剛体回転領域の生成維持のための角運動量輸送が抵抗増大の原因であることが示唆される．