Mechanism and prediction of drag modulation in wall-bounded turbulence by additives

添加剂对壁面湍流阻力调制的机理和预测

基本信息

批准号：
22K03917
负责人：
堀本康文
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

界面活性剤や高分子を乱流に添加することにより流体は粘弾性を発現し，壁面摩擦抵抗が劇的に低減する現象が知られる．本研究課題では，この現象を最大限活用した工学応用に向けて，乱流のプラットフォームとして，非常に高いReynolds数の乱流を実現できる回転二重円筒間流れ（Taylor-Couette流）の装置を利用した系統的な実験研究を行う．2022年度では，内外円筒の回転角速度を系統的に変化させた場合の乱流に対してトルク計測と粒子画像流速測定（PIV）による速度場計測を実施し，この二つの実験に関して，予定していたパラメタ域でのパラメタサーベイが完了した．内円筒にかかるトルク計測より，界面活性剤の添加により，壁面摩擦の低減と増加の両方が起こりえることが判明した．とくに，抵抗低減が生じるのは内外円筒が逆方向に回転して流体につよいせん断が加わる場合であり，実験を行ったパラメタ域では同方向に回転あるいは内円筒のみが回転する場合では顕著な抵抗増大が認められた．これは，内円筒のみが回転する場合の抵抗増大を報告する先行研究の知見を拡張する結果であり，Taylor-Couette流でも抵抗低減が生じることを示した，すなわちこの流れ場が抵抗低減現象を調べるための基礎的な流れ場であることを実証した点で非常に意義深い．さらに，流体にくわわるせん断を考慮した新しいReynolds数を考慮することで，円筒の様々な回転状態における抵抗の増加から低減までを統一的に議論可能であることを示した．流速計測から得られた平均流速場からは，抵抗増大が生じる場合には円筒間ギャップの広い範囲にわたって剛体回転的に回転する領域が存在することが明らかとなった．この結果から，この剛体回転領域の生成維持のための角運動量輸送が抵抗増大の原因であることが示唆される．

众所周知，流体通过在湍流中添加表面活性剂和聚合物来发展粘弹性，并且抗壁摩擦的耐药性大大降低。在此研究主题中，我们将使用旋转的双缸流（Taylor-Couette流）设备进行系统的实验研究，该设备可以通过极高的雷诺数作为湍流平台来实现湍流。在2022财年中，当系统更改内部和外部圆柱的旋转角速度时，使用扭矩测量值和粒子图像流量速度测量（PIV）进行了速度场测量，并完成了这些计划参数区域中内部和外部圆柱体的旋转角速度的测量。从内部气缸上的扭矩测量值中，发现表面活性剂的添加可以减少和增加壁摩擦。特别是，当内部和外圆柱体沿相反方向旋转并且流体受到强剪切的旋转时，电阻的降低发生，并且在进行实验的参数区域中，当内部圆柱体沿同一方向旋转时，观察到电阻的显着增加。这是由于只有内圆柱旋转时扩大了先前研究报告的发现的结果，并且表明抗电阻的降低发生在泰勒 - 库特流动中，这意味着该流场是检查耐药性降低现象的基本流场。此外，通过考虑新的雷诺数（考虑到流体中的剪切）的新雷诺数，可以统一讨论缸体各种旋转状态的耐药性降低的讨论。从从流速度测量中获得的平均流场，可以发现当电阻增加时，有一个区域在广泛的缸间间隙范围内稳定旋转。该结果表明，要维持该刚性旋转区域形成的角动量传输是抗药性增加的原因。