Innovative Drag Reduction Technology using 3-D Effect of Gas-Liquid Two-Phase Turbulent Boundary Layers

利用气液两相湍流边界层3D效应的创新减阻技术

基本信息

批准号：
21J11854
负责人：
尹桐翊
金额：
$ 0.96万
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：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

傾斜面や曲面を含む三次元船体表面における空気潤滑作用についての体系的なラボスケール実験調査により下記の実績を獲得した.1. 時空間高解像度超音波ドップラー流速分布測定法の開発により、乱流構造、渦度等気液二相流の重要な情報を取得できるようにした．既存の超音波流速計測技術では液相内一方向の速度しか取得することができないため、乱流境界層で得られる情報は制限された．本研究では速度のベクトル成分を算定できるようにする超音波トランスデューサーの配列を提示して、計測システムを構築した．構築システムの妥当性検証とデモンストレーションにより平均3%以内の誤差で機能する超音波計測システムの開発を完了した．2. 曳航水槽実験により気液間相互作用を明瞭化し気泡の運動をモデリングした．傾斜角によって境界層の厚さが変化し、高い曳航速度では気泡の運動は境界層内の液相流速によって支配される．しかし、低い曳航速度では浮力が支配的となり、気泡の大きさと合体にも影響を与える．上記の結果を基に傾斜板下気泡速度を予測できる経験式と気泡の抗力係数モデル式を提案した．3. 傾斜乱流チャネル装置を使用して低い傾斜度での気泡形状の変化を観測し、その変化を決定付ける力の成分を分析した．上向きの傾斜条件で挙動する気泡の形状は水平条件と大きな差異が生じなかったが、下向きの傾斜条件での気泡形状が周期的に変形した．変形メカニズムを究明するため気泡に作用する揚力、浮力、表面張力の平衡方程式を立て、揚力係数を算出した．そして揚力係数はHydrostaticとHydrodynamic forceによって決定されることを確認した．

通过系统的实验室规模的实验研究空气润滑对三维船体表面（包括倾斜表面和曲面）的影响，我们取得了以下成果： 1. 通过开发时空高分辨率超声多普勒流速分布测量方法，湍流可以获得结构、涡度等气液两相流的重要信息。现有的超声波速度测量技术只能获得液相内一个方向的速度，这限制了从湍流边界层可以获得的信息。在这项研究中，我们通过提供可以计算速度矢量分量的超声波换能器阵列构建了一个测量系统。通过对所构建系统的验证和演示，我们完成了超声波测量系统的开发，其平均误差小于3%。 2.通过拖曳水箱实验阐明了气液相互作用并模拟了气泡的运动。边界层厚度随倾角变化，在高拖曳速度下，气泡运动由边界层内液相流速主导。然而，在低拖曳速度下，浮力占主导地位并影响气泡尺寸和聚结。基于上述结果，我们提出了可以预测斜板下气泡速度的经验公式和气泡阻力系数模型公式。 3. 使用倾斜湍流通道装置，观察低倾角下气泡形状的变化，并分析决定变化的力分量。向上倾斜条件下气泡的形状与水平条件下没有显着差异，但向下倾斜条件下气泡的形状发生周期性变形。为了研究变形机制，我们创建了作用于气泡的升力、浮力和表面张力的平衡方程，并计算了升力系数。我们还证实升力系数是由静水力和水动力决定的。