省エネかつ高性能なモノづくりに貢献する流体制御
電気通信大学
大学院情報理工学研究科
機械知能システム学専攻
准教授 守 裕也

2019年5月14日

1目次
1. 研究背景と目的
2. 進行波状吹出し・吸込み制御
3. 外力による進行波制御
4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御
5. 想定用途と企業様への期待

1. 研究背景と目的流体からうける抵抗
流体抵抗
圧力抵抗→流線型形状などで低減
摩擦抵抗→乱流渦に起因，減らすことが困難
航空機などの燃費増加につながる(出典) http://www.boeing.com/commercial/787/

白 乱流縦渦赤 高速ストリーク
青 低速ストリーク

Mov. Vortical structures in turbulent flow

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乱流における壁面摩擦抵抗
壁面上を流れる乱流渦
side viewd +=25~35

Fig. Mean streamwise velocity
under constant flow rate.

l +=150~300

Fig. Vortical structure乱流構造によって高い摩擦抵抗が維持される
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従来技術とその問題点
リブレット壁面
壁面表面に設置された微小な溝

添加物による抵抗低減
ポリマーや界面活性剤の添加

Flow direction

数%の摩擦抵抗低減効果
微小な溝にゴミがつまり、抵抗低減効果の減少
清掃による維持コストの増加

数%の摩擦抵抗低減効果
環境負荷の増加5/23

イルカ腹部の微小振動

イルカが高速遊泳する理由の一つ
イルカ腹部表面の「しわ」が流体抵抗を減らしている可能性
壁面に波状壁が作られ、流体の抵抗が減っている？？
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新技術の特徴と従来技術との比較
本発表における新技術
イルカ腹部における微小振動を模擬した進行波による乱流制御技術

本技術の特徴大きな抵抗低減効果（70%程度）

リブレット(従来技術の例)
数%の抵抗低減効果

乱流が層流になる

乱流は維持される制御にエネルギが必要
簡単な機構で実現できる制御にエネルギは不要
Flow direction

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本日の内容３つの制御効果を紹介
進行波状吹出し・吸込み制御→ 理想的な状態での制御効果
外力による進行波制御→ 実現可能なデバイスを使用した際の制御効果
熱伝達促進と抵抗低減の同時達成→ 熱伝達との関係も考慮に入れた時の制御効果

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目次
1. 研究背景と目的
2. 進行波状吹出し・吸込み制御
3. 外力による進行波制御
4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御
5. 想定用途と企業様への期待

2. 進行波状吹出し・吸込み制御

進行波状吹出し・吸込み制御（Mamori et al., Phys. Fluids, 2014）

振幅a波長l
位相速度 cFig. Traveling wave-like blowing and suction.

進行波状制御の利点
大きな抵抗低減効果を持つセンサーを必要としない

直接数値シミュレーション
乱流モデルなどを使わないので正しい答えが出る
低レイノルズ数流（Re=5600）
平行平板間流（簡単な系）
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乱流の再層流化
上流方向進行波抵抗低減

下流方向進行波Mov. Visualization of channel flow controlled by traveling wave-like blowing and suction.

下流方向進行波→ 再層流化 (70%抵抗低減)
上流方向進行波→ 乱流維持 (20%抵抗低減)

抵抗増加

Fig. Time variation of drag reduction rate.
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エネルギの削減率
摩擦抵抗低減率, R

R>0, 抵抗低減
R<0, 抵抗増加

エネルギ削減率, S

S>0, 正の効率
S<0, 負の効率
Fig. Relation between drag reduction rate and net saving rate.

乱流の再層流化
大きな抵抗低減と大きなエネルギ削減率
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目次
1. 研究背景と目的
2. 進行波状吹出し・吸込み制御
3. 外力による進行波制御
4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御
5. 想定用途と企業様への期待

3. 外力による進行波制御

外力による進行波制御
対向型プラズマアクチュエータによる進行波制御を模擬

Fig. Model of plasma actuator.

Fig. Channel flow installed plasma actuator.

外力による制御が可能か，直接数値計算を用いて検証

簡単な分布を用いて14/23
外力分布を理想化

外力による流体制御

波を動かさなくても、４０％の抵抗低減

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目次
1. 研究背景と目的
2. 進行波状吹出し・吸込み制御
3. 外力による進行波制御
4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御
5. 想定用途と企業様への期待

4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成

摩擦抵抗低減と伝熱増加の同時達成
流体の支配方程式

温度の支配方程式

流体と熱の方程式はそれぞれよく似ている（強い相似性）ため、ふつうは摩擦が減ると熱伝達は減少
理論的な解析結果などから、進行波は、「摩擦の低減、熱伝達の促進」の同時達成が可能であることが示唆

数値シミュレーションによりその効果を調査

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進行波状吹出し・吸込み制御

振幅a波長l
位相速度 cFig. Traveling wave-like blowing and suction.

熱伝達も考慮に入れた数値計算を実施レイノルズ数
Re=5600
プラント数
Pr=1.0 (参考： 空気 Pr=0.71)
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上流進行波制御を用いた熱伝達促進制御
速度分布20％の抵抗低減

温度分布20％の伝熱促進

Mov. Streamwise velocity and temperature.

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目次
1. 研究背景と目的
2. 進行波状吹出し・吸込み制御
3. 外力による進行波制御
4. 熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御
5. 想定用途と企業様への期待

5. 実用化への課題など

想定される用途
現状明らかなこと2.
3.
4.

進行波状吹出し・吸込み制御 → 再層流化により70%近い抵抗低減
外力による進行波制御→ 波を進行させなくても40%の抵抗低減
熱伝達促進と抵抗低減効果の同時達成制御 → 進行波制御により達成想定される用途
飛行機や電車、船舶など乗り物に適用し、燃費削減
ダクトなどの配管における流体輸送効率の向上
エアコンなどの熱交換器
熱伝達促進＋摩擦抵抗低減によるエネルギ効率の向上

未解決な点
高いレイノルズ数流れにおける制御効果
より実用的な流れ場における制御効果
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企業様への期待
1. 輸送機器や配管など、流体の効率的な輸送方法を検討中の企業と共同研究を希望→ 自動車関連企業様、重工業企業様など
2. 抵抗低減のみならず、熱伝達の促進も可能→ 新分野への拡張を検討する企業様とも共同研究希望
3. 進行波だけではなく、熱流体制御に興味のある企業との共同研究を希望→ 流れの数値計算から原因を調査

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お問い合わせ先
国立大学法人 電気通信大
産学連携センター
産学連携コーディネータ 今田
TEL
FAX
Email智勝

042-443-5871
042-443-5726
imada@sangaku.uec.ac.jp

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