縦渦構造の吸込み操作による流れ場の特徴の解明と摩擦抵抗軽減の試み

阐明流场特性并尝试通过纵向涡结构的抽吸操作减少摩擦阻力

基本信息

批准号：
21K04283
负责人：
渡辺勝利
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Tokuyama College of Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究の目的は，壁乱流において縦渦構造の形成領域を集中させ，その吸込み操作に伴う流れ場の特徴を明らかにすることである．そして，その知見を踏まえて流れの摩擦抵抗軽減を試みることにある．本年度においては，底壁面に縦桟粗度を設置した開水路流れにおいて，蛍光染料注入法による流れの可視化法，PTVによる流速計測法を用いて流れ場の特徴を詳細に検討した．その結果，流れの可視化からは，吸い込み操作無の場合には，縦桟粗度上に縦渦構造が時空間的に安定して形成されることが明らかとなった．一方，吸込み操作有の場合には，縦桟粗度上に形成される縦渦構造が間欠的となり，小規模化することが明らかとなった．流速計測の結果からは，主流速，二次流分布においては，吸い込み操作無の場合には，縦桟粗度上に強い上昇流とその左右に対を成す大規模な旋回流が形成され，上昇流の形成領域は想対的に低速となることが認められた．吸込み操作有の場合にはその強い上昇流と大規模な旋回状の二次流れが消失し，主流速が横断方向に一様となることが認められた．また，乱れの分布においては，吸い込み操作有の場合には無の場合に比べて，水平方向のレイノルズ応力（-uw)の形成領域が縮小し，値の正負の位相が逆転することが明らかとなった．さらに，-uwによる乱れのエネルギーの生成項-uw(dU/dｚ)は吸込み操作無の場合は縦桟粗度上で正値となった．これは，平均流から乱れへとエネルギーが移送されることを示している．一方，吸込み操作有の場合には，乱れエネルギーの生成項が縦桟粗度上で負値となった．これは，乱れから平均流へエネルギーが返還されることを意味しており，非常に興味深い現象と考えられた．

本研究的目的是集中壁面湍流中纵向涡结构的形成区域，并阐明与抽吸操作相关的流场特征。基于这些知识，我们将尝试减少流动的摩擦阻力。今年，我们使用荧光染料注射的流动可视化方法和使用 PTV 的流速测量方法，详细研究了底壁上安装有垂直杆粗糙度的明渠流中的流场特征。结果，流动的可视化表明，在没有抽吸操作的情况下，在纵向棒粗糙度上在空间和时间上稳定地形成纵向涡流结构。另一方面，在抽吸运转的情况下，可知在纵条粗糙度上形成的纵向涡结构变得断续且变小。当前速度测量结果表明，在主流速度和二次流分布中，在无吸力运行的情况下，形成强烈的上升流和在竖条粗糙度左右成对的大范围旋流。据观察，形成向上流动的区域具有假设的低速度。在抽吸运行的情况下，强烈的上升流和大范围的旋涡二次流消失，并且观察到主流速度在横向上变得均匀。另外，在湍流分布中，可以明显看出，当存在吸力作用时，水平雷诺应力（-uw）的形成区域比不存在时要小，且数值的正负相位为事情发生了逆转。此外，当没有抽吸操作时，由于-uw而产生的湍流能量项-uw(dU/dz)对于纵向棒材粗糙度具有正值。这表明能量从平均流转移到湍流。另一方面，在抽吸操作的情况下，紊流能量产生项对纵向钢筋粗糙度具有负值。这意味着能量从湍流返回到平均流，被认为是一个非常有趣的现象。