教授着任講演会 （2023.10.3）
京都工芸繊維大学

気泡注入による抵抗低減
Drag reduction by bubble injection

北川 石英～機能表面を利用した気泡運動制御～~ Bubble motion control using functional plate ~京都工芸繊維大学 機械工学系

KIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

Background

KIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

Experimental apparatus

Introductionxz

国際海運からのCO2排出量は全世界のCO2総排出量の約３%1300 mm

200 mm

550 mm
Bubble transport direction

φ99.5 mm

船舶の省エネ技術が必要
Bubble injection location

船底への気泡注入技術の開発

Problem

気泡の船底からの離脱，気泡のプロペラ部への流入

Teflon tape

Aluminum plate

DropletDropletzxHydrophobic (HPO)y

Bubble generator

Upstream chamber

Flow

Hydrophilic (HPI)

Test plate
Downstream chamber

機能表面の創製
Horizontal channel

Purpose
部分的に濡れ性を組み合わせた機能表面を創製し，その機能表面を利用した気泡運動・分布制御技術を構築する．
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Flow meter

Pump

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1

Single bubble moving along test plate at Re=3000 and φ =30˚

HPO strip

Flow

Bubbles moving along test plate at φ =30˚

HPI region

HPO strip

Bubblet = 0.0 s

HPI regiont = 0.1 s

Main flow

Re = 2000

Re = 3000

Main flow

Re = 4000

Re = 5000

t = 0.2 s

t = 0.6 s

t = 3.3 s

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Spatiotemporal images of bubbles and air films moving along
downstream edge of HPO strip at φ =30˚z (mm)100

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Bubble transport evaluation

Side wall

24 mm/s (β = 0.08)

145 mm/s (β = 0.16)

0Re = 3000 0.0z (mm)100Side wallt (s)0.20.60.4

273 mm/s (β = 0.57)

0.81.0Side wall

264 mm/s (β = 0.55)∑∑∑,1.00.80.615deg
φ = 15deg
30deg
φ = 30deg

0.445deg
φ = 45deg

0.260deg
φ = 60deg

0.01000

2000

3000

4000

5000

Re

50

209 mm/s (β = 0.44)

·⁄∑

∑

·⁄∑

,
Bububle transport displacement Γb

77 mm/s (β = 0.27)

Bubble transport probability Γa50(a) Bubble transport probability

0.60.50.40.30.215deg
φ = 15deg
30deg
φ = 30deg

0.145deg
φ = 45deg
60deg
φ = 60deg

0.01000

2000

3000

4000

5000

Re(b) Bubble transport displacement

216 mm/s (β = 0.46)
Side wallt (s)0Re = 5000

0.00.20.40.60.81.0

KIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

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2Background

Introduction
船底への気泡注入技術の開発

Problem

気泡の船底からの離脱，気泡のプロペラ部への流入

空気充填撥水グルーブを利用した抵抗低減

新たな摩擦抵抗低減技術の開発

Drag reduction due to air-filled hydrophobic grooves
マイクロ流体デバイス：撥水面を利用した摩擦抵抗低減

Purpose空気充填撥水グルーブを利用した摩擦抵抗低減技術を開発し，可視化・画像処理計測を実施することにより，本技術の大型船舶への実装に向けた最適条件を見出す．
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Visualization & Velocity measurement
Re=2000

Re=3000

Re=4000

AirAirAir

t=15 mint=15 min

t=15 min

Re=5000

Air

No air

t=5 s

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Surface texturing
Re=2000

Re=3000

Re=4000

Re=5000

Air

Air

Air

Air

t=15 mint=15 mint=15 minFlow

Air film

Teflon plate

t=5 s

10 mm

w/ SH Tapew/ SH Tape

FLOW

Gas-liquid interface
Visualization
Liquid velocity
Measurement

w/o SH Tape

w/o SH Tape
5 mm

t=15 mint=15 min

t=5 s

Air

Air

Air

Re=2000

Re=3000

Re=4000

t=5 s

Air

No airRe=5000

t=15 min

t=5 s

t=15 minAir film

Air film

Air

AirAir

Re=2000

Re=3000

Re=4000

t=5 s

No airRe=5000

Solid wall

Air-filled groove

0.00.1200 mm

y/h

0.2

0.3

0.40.5x= –100 mm

x=100 mm x=140 mm

x=190 mmx=250 mmx=300 mmx=350 mmx=400 mm

center line

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3

Background

Introduction
地球環境問題の解決・持続可能な低炭素社会の実現に対する強い要望
自然対流：多くの伝熱機器にて活発に利用気泡注入による伝熱促進

自然対流熱伝達（熱交換）を大幅に促進させる技術の構築

Heat transfer enhancement by bubble injection

自然対流を利用した伝熱機器の高性能化が実現可能

Purpose
自然対流気泡二相流の熱流動機構を明らかにし，自然対流利用型伝熱機器への実装が可能な気泡注入（バブルインジェクション）技術を構築する．
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Image processing for two-phase velocity estimation (e.g.,Millimeter-bubble injection)

Experimental apparatus
Low-temperature thermostatic bath

DC power supplyWall

Air bubbles

Red imageCentroid detection

Velocity estimation

Heated platexzyVelocity vector map
Peristaltic pump

Millimeter bubble injection

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Green image
Elimination of overlapping particles

KIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN4Mechanism of heat transfer enhancement by millimeterbubbles
Bubble

上昇気泡群による液体連行

1200
TPFSPF

800
600
400

ta=0.00s

Bubble

気泡の揺動運動400
2000

気泡界面からの渦放出
0Bubble上昇流誘起型の非定常渦

100 200 300 400 500 600 700 800x (mm)(a) Millimeter-bubble injection■ 高温液体と低温液体の伝熱面垂直方向の熱交換600

0100 200 300 400 500 600 700 800

SPF

ta=0.03s

800

2000

TPF

1000

hx (W/m2k)

1000x (mm)(b) Microbubble injection

伝熱促進Wake

Heated wall

1200

hx (W/m2K)

ta=0.06s■ 低温液体の温度境界層への輸送

TPF : Two-Phase Flow
SPF : Single-Phase Flow

Heated wall

Heat transfer coefficient

Sanada T et al. (2007)

BubbleKIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

Mechanism of heat transfer enhancement by microbubbles

VortexKIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

Mechanism of heat transfer enhancement by microbubbles■ 高温液体と低温液体の伝熱面垂直方向の熱交換■ 高温液体と低温液体の伝熱面垂直方向の熱交換xCloud Collision

yTime
Void Bursting Motion

12White lightsheet
δ (mm)xzy

Bubble layer thickness

108642

Tank

Bubble Clouds

Cameraview

0012345678910t (s)wall
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伝熱促進

32 mm

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Factors for heat transfer enhancement by bubble injection

マイクロ流体デバイスを用いたマイクロプラスチック捕集
Microplastic particle trapping through microfluidic devices

KIT KYOTO INSTITUTE OF TECHNOLOGY / JPN

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Experimental setup

Background

Introduction

500 µmPillar

海洋ゴミの約８０％はプラスチック

Microscope

海洋で分解・微細化された結果

Glass syringe
Outlet
Inlet
PDMS

マイクロプラスチックの発生

Flow

マイクロプラスチックによる地球規模の環境問題の早期解決に対する強い要望

LED

Microchannel

Microchannel with Pillars

マイクロプラスチックの捕集技術の開発

Purpose500 µmmmmlÉ lDispensedminhrWithdraw

Rate

VolumeDiameter

Program Program Setup
Phase
Function

Camera

フィルタ濾過技術と気泡注入技術に着目し，「ピラー群を有するマイクロ流体デバイス」と「壁面にポケットを有するマイクロ流体デバイス」を利用したマイクロプラスチック粒子捕集を行う．
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Glass

Air-filled pocket

PumpingStart
Stop

Syringe pump

Flow

Air-water interface

Microchannel with Air-filled Pockets
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Microplastic particle trapping by bubbles and pillars
Flow

500 µmMicrochannel with Air-filled Pockets
Flow

500 µmMicrochannel with Pillars
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