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

添加剂对壁面湍流阻力调制的机理和预测

基本信息

批准号：
22K03917
负责人：
堀本康文
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

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．

Interfacial active agent and polymer turbulence add to the fluid viscosity, the wall friction resistance is greatly reduced phenomenon known. This research topic is to maximize the use of this phenomenon in engineering applications. Turbulent flow occurs in very high Reynolds numbers. Turbulent flow occurs in double cylinders. In 2022, the velocity field measurement of the inner and outer cylinder angular velocity system was carried out. In the case of turbulence measurement and particle image velocity measurement (PIV), the velocity field measurement was carried out. The inner cylinder is measured, the interface active agent is added, the wall friction is reduced, the increase is increased, and the starting point is determined. In the case where the resistance decreases, the resistance increases, and the resistance increases, the resistance decreases, and the resistance increases. The results of the previous study show that the Taylor-Couette flow is the basis of the resistance decrease phenomenon. The number of Reynolds in the fluid is considered. The resistance of the fluid increases. The resistance of the fluid decreases. The velocity measurement results in an average velocity field that increases in resistance. As a result, the rigid body's return field is generated and maintained, and the angular motion is transmitted.