壁面振動による流体摩擦抵抗低減とそのメカニズム解明

壁面振动引起的流体摩擦阻力减少及其机制的阐明

基本信息

批准号：
13750130
负责人：
石川仁
金额：
$ 1.41万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2001
资助国家：
日本
起止时间：
2001 至 2002
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、物体の表面(壁面)の一部を流れに対し垂直に振劾させるによって、流体摩擦抵抗を低減すること、およびその抵抗低減メカニズムを解明することを目的としている。実験は、乱流境界層が十分に発達した平板の一部を、モーターによって駆動されるクランク機構を介して振動させた。振動振幅は5.0〜17.5mm、振動周波数は1〜8Hzである。測定を行った主流速度は2.0m/s、平板前縁からの距離を代表長さとしたレイノルズ数Re_xは1.2x10^5である。抵抗低減の割合は、自作プレストンチューブにより測定した壁面せん断応力から算出した。本研究では、振動する壁面上のせん断応力を測定しなければならないので、壁面貼付式のせん断応力センサーよりも、プレストンチューブによる測定が好都合であった。実験の結果、振動周波数と振幅がともに大きいほど、摩擦抵抗の大幅な低減が達成された。とくに振幅が15mm、振動周波数が7Hzのとき、最大21%の抵抗低減が可能になった。これはリブレットによって得られる摩擦低減効果(約8%)よりはるかに大きいものである。また、振動周波数の変化よりも、振幅の変化が与える効果のほうが大きいことが明らかになった。低減低減のメカニズムについては、主流のない振動平板上に発達するストークス層に関連させて考察を行った。ストークス厚さδ^+は次式で定義される。δ^+=√<2v/ω>すなわち、振動周波数ωが大きいときにストークス層厚さは薄くなるが、逆に粘性vの彰響、すなわち摩擦抵抗は小さくなるといえる。このことは本研究の振動周波数が大きくなると、摩擦抵抗低減の効果が大きいことに合致した結果である。

本研究的目的是通过摇动垂直于流动的物体表面（壁面）的一部分来减少流体摩擦阻力，并阐明阻力减少机制。在实验中，具有发达湍流边界层的平板的一部分通过电机驱动的曲柄机构进行振动。振动幅度5.0~17.5mm，振动频率1~8Hz。实测主流速度为2.0 m/s，以距平板前缘的距离为代表长度的雷诺数Re_x为1.2x10^5。根据使用自制普雷斯顿管测量的壁剪切应力计算阻力降低率。在本研究中，需要测量振动壁表面的剪应力，因此使用普雷斯顿管测量比使用附在墙壁上的剪应力传感器测量更方便。实验结果表明，振动频率和振幅越大，摩擦阻力的降低幅度越大。特别是，当振幅为15毫米、振动频率为7赫兹时，可以减少高达21%的阻力。这比通过肋条获得的摩擦减少效果大得多（约8%）。研究还表明，振动幅度的变化比振动频率的变化具有更大的影响。讨论了与在没有主流的振动平板上形成的斯托克斯层有关的减少机制。斯托克斯厚度 δ^+ 由以下等式定义。 δ^+=√<2v/ω>也就是说，当振动频率ω较大时，斯托克斯层厚度变薄，但反之，可以说，粘度v的影响，即摩擦阻力变小。这一结果与本研究的发现一致，即振动频率越大，降低摩擦阻力的效果越大。