エネルギー利用の高効率化のための乱流摩擦抵抗低減手法の提案

高效能源利用湍流摩擦减阻方法的提出

基本信息

批准号：
21J12282
负责人：
難波江佑介
金额：
$ 0.96万
依托单位：
Keio 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

乱流摩擦抵抗低減のための流れの制御手法の確立は，エネルギー利用の効率化に大きく貢献できると期待されている．特に，壁面変形による主流方向進行波は，再層流化を始めとする大きな抵抗低減効果がこれまでに確認されており，加えて，実験においても抵抗低減効果が確認されていることから，より実装に近い制御手法であると言われている．そこで，この進行波制御についての検証を行った．従来の進行波(一様な進行波)にスパン方向変位を持たせた進行波(ウェーブマシン状進行波)による制御効果の調査を行った．スパン方向波長が小さくなるにつれて抵抗低減率およびエネルギー削減率が小さくなり，全ケースで一様な進行波の場合よりも小さくなった．乱流統計量の比較およびFIK恒等式による解析から，抵抗低減率が最大となった場合(スパン方向波長が最も長い場合)では，ウェーブマシン状の壁面挙動により生成された大規模構造が乱流成分を大きく減少させた一方，この大規模構造による周期成分が抵抗を増加させる方向に働き，抵抗低減効果を低下させることが明らかとなった．しかし，スパン方向に完全に一様でなくとも一定の抵抗低減効果が得られることから，進行波制御の実装可能性が広がったといえる．より高いレイノルズ数における制御効果の調査を行うため，ラージ・エディ・シミュレーション(LES)を用いた一様な進行波の制御効果の調査を行った．最もシンプルなスマゴリンスキーモデルでも，非制御時・制御時の平均流速分布はDNSの結果と良い一致を示した．また，計算コストの関係からDNSによる検証が不可能であった10の3乗オーダーのレイノルズ数下で得られた抵抗低減率は，先行研究で提案された半経験式による抵抗低減率の予測値に概ね一致した値となり，先の半経験式の妥当性が示されたといえる．今後は，高レイノルズ数における詳細な抵抗低減メカニズムの調査を行っていく予定である．

建立减少湍流摩擦阻力的流量控制方法有望对提高能源利用效率做出巨大贡献。特别是，已经确认由壁变形引起的主流方向行波具有包括再层流在内的大的阻力减少效果，此外，据说该阻力减少效果是通过实验得到确认的。接近实现的控制方法。因此，我们验证了这种行波控制。我们研究了具有展向位移（波机类行波）的常规行波（均匀行波）的控制效果。随着展向波长减小，阻力减小率和能量减小率变得更小，并且在所有情况下它们都小于均匀行波的情况。利用FIK恒等式进行湍流统计和分析的比较表明，当减阻率最大时（跨度方向波长最长时），类波机壁面行为产生的大尺度结构就是湍流分量。可知，这种大规模结构所产生的周期性成分起到了增加电阻的作用，从而降低了电阻降低效果。然而，由于即使阻力在跨度方向上不完全均匀，也可以获得一定的阻力减小效果，因此可以说实现行波控制的可能性扩大了。为了研究较高雷诺数下的控制效果，我们使用大涡模拟（LES）研究了均匀行波的控制效果。即使使用最简单的 Smagorinski 模型，不受控和受控条件下的平均流速分布也与 DNS 结果表现出良好的一致性。另外，由于计算成本的原因，在雷诺数为10的三次方下获得的减阻率无法通过DNS验证，而可以通过先前研究中提出的半经验公式来预测减阻率。可以说上述半经验公式是有效的。未来，我们计划研究高雷诺数下详细的减阻机制。