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PS-20

時系列 PTV とせん断応力計の同時計測による気泡流抵抗低減メカニズムの調査
流体設計系

1．緒言

＊拾井隆道、濱田達也 、川北千春

2．2 気泡流中時系列 PTV システム

乱流境界層に気泡を混入させることによる摩擦抵抗低減
1)

気泡流中時系列 PTV とせん断応力の同時計測システムを図

法は，McCormick and Bhattacharyya の報告 以来多くの研―2 に示す．気泡流中 PTV は Kitagawa ら 3)が用いたものと同究が実施され，現在では空気潤滑システムとして実船に搭載様のシステムで，流場にミラーを挿入することにより水中光2)されるに至っている ．一方，抵抗低減の詳細なメカニズム

路長を短くし画像上での気泡のオーバーラップを小さくしについては未だ明らかになっておらず，これを明らかにするて撮影を行い，蛍光粒子とロングパスフィルターにより液相ことにより気泡の制御等が可能となり抵抗低減効果が向上の流場を計測し，赤外線 LED を用いた背景照明により気泡画することが期待される．先行研究においては定常的な気泡流像を取得するものである．本研究においては，二つのミラーの特性を評価するために，壁面せん断応力の計測や気泡流中の間に FBG せん断応力計を設置することにより，流場計測をの PTV（Particle Tracking Velocimetry）計測などが個別に実施している壁面上のせん断応力の変化を同時に計測する

3)

実施されてきた ．一方，近年気泡流中のボイド率の変動にことを可能とした．ハイスピードカメラには Photron Nova

より高い抵抗低減効果がするとの報告があり 4)，現象の把握

S16 を使用した．のためには非定常な気泡の変動とそれに伴うせん断応力及び流場の変化を評価する必要があると考えられる．

実験は長さ 3,000 mm，幅 100 mm，高さ 2h = 20 mm のアクリル製の試験部を持つ水平チャネルで実施した．

本研究では，気泡の変動に伴う流場およびせん断応力の変
気泡流中時系列 PTV とせん断応力計の同時計測システムを構築した．構築したシステムを用い，抵抗低減が生じる水平チ

Long-passfilterHigh-speedcamera

FBG Shear stress sensor

ャネルにおける気泡流を対象に計測を行った．
6mm

Infrared LED

2．実験手法
2．1 FBG せん断応力計
高周波数領域でのせん断応力の変化を評価するために，FBG（Fiber Bragg Grating）をセンサーとして用いた高応答のせん断応力計（以下，FBG せん断応力計）を開発した．耐水性および低ノイズであるという利点から FBG をセンサーにInfrared light (850nm)
Laser light (532nm)
Fluorescent light (584nm)

Prism

Flow

Mirrors
24mm

20mm

化を調査するため，気泡画像と液相速度が同時に計測可能な

100mm
CW Laser

図－2 気泡流中時系列 PTV せん断応力同時計測システム採用した．検力機構はカンチレバー方式で，内部のロッドにFBG を貼付した（図―1）．ロッドの形状を変化させることに

3．計測結果より固有周期を 300-400Hz 程度にし，多くの先行研究で使用

計測は断面内平均流速 Um =5m/s において，空間平均ボイドされているせん断力計（SSK 製 S10W-2，応答周波数 40Hz 半率 αm = 0, 0.5 %と変化させて計測を行った．αm = 0.5 %導体歪みゲージ式）より高応答化を実現した．また FBG を両では摩擦抵抗が 2.4%低減した．FBG せん断力計の計測は面に貼付し，温度保証および高感度化を実現した．検力面直5,000Hz，ハイスピードカメラの撮影は 80,000fps で 4 秒間径は 10mm である．

同期して計測を行った．画素数は 256pixel×128pixel で空間解像度は 0.01002mm/pixel である．図―3 に計測した画像の一部を示す．撮影された画像から輝度値の高い蛍光粒子を追跡することにより液相の速度を，気泡像を反転して画像内の輝度値の平均することにより画像から推定されるボイド率 αproj を算出した．ボイド率 αproj とせん断応力の τw の波形データを図―4 に示す（50Hz に再標本化）．ボイド率の変動に伴いせん断応力も変動していることがわかるが，明確な

図－1 FBG せん断応力計

関係性を見いだすことは難しい．

(117)

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ボイド率の増加および減少時毎に分けて，PTV による液相流速から主流方向平均速度およびレイノルズ応力を算出した（図―6）．ここでは 4 秒間の計測データを解析対象とした．抵抗低減の大きいボイド率の増加時には，抵抗低減に寄与する主流速とレイノルズ応力の低下が見られる．ボイド率低下時は増加時と比較して，2.6%抵抗が低減していた．本研
究において計測した最も壁面近傍の計測点においては（y ≅0.18mm, y+ ≅ 40），3.0%の主流速の低下が見られ，抵抗低減量と同オーダーであった．
図－3 ボイド率せん断応力波形

65600.50550.25500123Time [s]40.6

0.70.80.9

1.00.000 0.001 0.002 0.003 0.004
0.00

0.05

450.05y/h [-]0.75

0.000.00y/h [-]αpoj [-]

1.00

Wall shear stressτw [Pa]Void fraction

0.10

0.15

0.20

0.10

0.15

Increase
Decrease

0.20

Increase
Decrease

図－4 ボイド率せん断応力波形
図－6 主流方向平均速度分布およびレイノルズ応力分布

図－5 (a)は，空間平均ボイド率 αm = 0.5 %における 20秒間の計測データを基に平均ボイド率𝛼𝛼�������からのボイド率����4．結言の変化率と摩擦抵抗係数 Cf の変化率を示したものである

本研究では，気泡の変動に伴う流場およびせん断応力の変（50Hz に再標本化して解析）．これより，ボイド率が高くな化を調査するため，気泡画像と液相速度が同時に計測可能なると摩擦抵抗は小さくなるがその相関はあまり高くないこ

気泡流中時系列 PTV とせん断応力計の同時計測システムを構とがわかる．図－5 (b)は，ボイド率の次の時刻との増減と築し，計測を行った．ボイド率の減少時，主流速度およびレ摩擦抵抗変化率の関係である．ボイド率の大小と比較して相イノルズ応力が低下することにより，抵抗低減効果が大きく関が高く，ボイド率の減少時に更なる抵抗低減が発生していなることがわかった．またボイド率の変化に対して抵抗の変ることがわかる．これより，ボイド率の変化に対して抵抗の化は時間遅れがある可能性が高いことが明らかになった．

変化は時間遅れがあり，ボイド率が最大となり低下し始める
謝辞

際に抵抗低減が最大化しているものと考えられる．

本研究は，防衛装備庁安全保障技術研究推進制度 Grant
Number JPJ004596 の助成を受けたものである．

(a) 1.3

y = -0.0103x + 1.0103
R² = 0.002

1.21.1

参考文献

1.01) Mccormick, M. E. and Bhattacharyya, R. : Drag reduction

0.9of a submersible hull by electrolysis, Nav Eng J., Vol.

0.8
0.785, 1973, pp.11-16.
0.2

(b)

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

1.3

y = 0.1925x + 0.9999
R² = 0.0443

hull by means of sea trial, Mitsubishi Heavy Ind Tech Rev,

1.2
1.1

Vol. 47, 2010, pp.41-47.

1.03) Kitagawa, A., Hishida, K. and Kodama, Y. : Flow0.9structure of microbubble-laden turbulent channel flow

0.8-0.20-0.15-0.10-0.052) Mizokami, S., et al. : Experimental study of airlubrication method and verification of effects on actual

0.7

measured by PIV combined with the shadow image technique,
0.00

0.05

0.10

0.150.20

図－5 (a) ボイド率の大小と摩擦抵抗抵抗変化率の関係及び(b) ボイド率の増減と摩擦抵抗抵抗変化率の関係

Exp Fluids, 38, 2005, pp.466-475.
4) Park, H. J., Tasaka, Y., Oishi, Y. and Murai, Y. : Drag
reduction promoted by repetitive bubble injection inturbulent channel flows, Int J Multiph Flow, 38, 2005,
pp.466-475.

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