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Research on skin-frictional drag change by bubbles in turbulent boundary layer

拾井 隆道 横浜国立大学 DOI:info:doi/10.18880/00014597

2022.05.26

概要

乱流境界層に気泡を注入することにより摩擦抵抗を低減させる手法は船舶では空気潤滑システムとして実用化され,GHG 削減に貢献している.しかし,そのメカニズムは明らかになっていない.本論文は,気泡による摩擦抵抗変化の速度影響に着目して,抵抗低減機構を解明することを目的としている.

第1章は緒論であり,研究の背景,先行研究および研究の目的が述べられている.

第2章では,水平チャネルにおいて,気泡注入に伴う摩擦抵抗変化と流速の関係を調査した.せん断応力計による直接計測により平均流速 4m/s 以上では抵抗低減が生じ,流速1~2m/sでは抵抗増加が生じるという結果が得られ,先行研究と同様の速度影響を確認した.

第3章では,気泡流における気泡分布,気泡径および気泡速度を評価するため,ダブル光ファイバープローブによる計測法を開発した.壁面近傍の計測を可能とする,湾曲したプローブ形状を提案するとともに,気泡界面速度ヒストグラム等を用いた解析法を考案した.計測の結果,抵抗増加時は気泡弦長 2~5mm の大気泡が壁面近傍にのみ存在するのに対し,抵抗低減時は 1mm 以下の気泡がチャネル半幅全体に分布することを明らかにした.

第4章では,大気泡による抵抗増加の機構を解明するため,大気泡の界面速度と周囲の液相速度について Particle Tracking Velocimetry/Shadowgraphy 計測を行った.その結果,大気泡は浮力により壁面に沿って移流し,その界面速度が壁面近傍で液相より高速となるため,液相速度が加速され抵抗増加が生じるという抵抗増加機構を明らかにした.

第5章では,気泡による抵抗変化を速度域によって3つの領域に分類して考察した.平均流速 1~2.5m/s は摩擦増加領域に分類され,直径 1.5mm 以上の気泡が浮力の作用で壁面に沿って移流することにより抵抗増加が生じる.流速 5m/s 以上は摩擦低減領域に分類され,気泡は直径 0.8mm 以下となり乱流中に拡散して存在し,レイノルズ応力の低減効果により抵抗低減が生じる.中間の流速 2.5~4m/s は遷移領域と分類され,直径 0.8~1.5mm 程度の気泡が壁面に沿って移流し抵抗を増加させる効果とレイノルズ応力を低減させる効果が拮抗している.この分類により,速度による気泡の摩擦抵抗への作用の変化機構を明らかにした.これは本論文において提案されたものであり,今後の摩擦抵抗低減に関する研究および実用化に資する新たな知見である.

第6章では上記の成果をまとめた結論および将来課題を述べている.

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