回流水槽に於ける平板の摩擦抵抗試験について
著者
中山 博, 奈良迫 嘉一
雑誌名
鹿児島大学水産学部紀要=Memoirs of Faculty of
Fisheries Kagoshima University
巻
16
ページ
107-118
別言語のタイトル
On the Flat-plate-frictional-resistance-test
in the Circulating Tank
Mem・Fac・Fish.,KagoshimaUniv・ Vol、16,pp、107∼118(1967).
回流水槽に於ける平板の摩擦抵抗試験について
中 山 博 ・ 奈 良 迫 嘉 一 *O
n
t
h
e
F
l
a
t
-
p
l
a
t
e
-
f
r
i
c
t
i
o
n
a
l
-
r
e
s
i
s
t
a
n
c
e
-
t
e
s
t
i
n
t
h
e
C
i
r
c
u
l
a
t
i
n
g
T
a
n
k
HiroshiNAKAYAMAandYoshikazuNARAsAKo Abgtractg TheHat-plate-分ictional-resistance-testsexecutedintheCirculatingTankofKagoshimaUni -versityenabledtheauthorstohavesomefbrmulasconcerningtheinfluencescomingupontheHat platesfiPomthewettedsurflcearea,roughnessofsur値Ce,andtheHuctuationsinwater-tempera -tureandtheHowingvelocity・ Inthepresenttest,twokindsofHatplatemodelsmadeoftheFormosancypresstimberwere used,whichwereofthesamesizeasthoseusedinKyushuUniversity,namely,thesizeoftheone platewaslmeterinlengthand24centi-metersinbreadth,thatofanotherwaslmeterinlength and9centi-metersinbreadth・ ThepresenttestwasresultedinourderivatinganapproximatefbrmulawhichwasclosetoMr. K、E・Schoenherr,sandM1..G.Hughes,s,hithertopubliclyacknowledgedasthefbrmulashaving propervalues・ThefbImulabegottenintheCirculatingTankseemstohavebeencorrecterthan theoneobtainedinthetowingtank・ ThequintessenceofthetestihgreSultsareasdescribedbelow:− Theincreasingcontractionofthewettedsurfacearea,thesmoothingtendencyofthesurface roughness,therisingdegreeofthewater-temperatureandthelesseningofthevelocityofHowing waterwereascertainedtobematchedbythedecreasingHuidfi・ictionalresistancevalues・ Throughtheseexperiments-co-relatingwithReynold,snumber(R"),frictionalresistance co-e缶cient(CJ)andfrictionalResistance(R/)一suchresultsasmentionedbelowwereobtained andassortedinthefbrmulas・ Incaseofthecirculatingtankofouruniversity withasmoothHatplateCJ=0.047/(log10R"−2)1.68 Rノー[0.047/(log10R"−2)1.68]l0ZLU2 witharoughHatplateCJ=0.0077/(log,0R"−2)0.20 Rノー[0.0077/(log,0R"−2)0.20],ojLU2 IncaseofthetowingtankofKyushuuniversity(oppositetoabove) withasmooth8atplateCJ=0.173/(log,0R"−2)2.55 Rノー[0.173/(log10R"−2)2.筋5]pjLU2 Notes・Astheturbulencestimulationdevices,pianowiresoflmmindiameterwerefitted aroundtheplate-sur勉cesatthestationsoflOOmmabaGttheleadingedgesoftheHat platesinKyushuuniversity. *漁船工学研究室(LaboratoryofEngineeringofFishingVessel,FacultyofFisheries,KagoshimaUniver‐ sity)Test no. 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) Dateof ● experlment 1 . 緒 自 流体中に置かれている物体はその流れの為に抵抗を受ける.その抵抗の大きさは物体の表 面積の大きさ,表面の粗度,形状及び流体の状態等により異なる.そこで筆者等は,本学部 回流水槽に於て,滑面平板と粗面平板を用いてそれらの流体摩擦抵抗を測定し,九州大学で 行われた同種実験と対比して回流水槽に於ける平板摩擦抵抗算定の実験式を求めた.弦で九 州大学曳航水槽に於ては流向に平行に置かれた平板には乱流促進用として,平板の前端から 100mm・後方位置にトリップ・ワイヤ1‘のピアノ線を取り付けて,摩擦抵抗を測定して いるが,鹿児島大学回流水槽では,最初から流体が乱流であるから平板はそのままで,摩擦 抵抗を測定したものである. 2.試験平板模型と実験方法 実験に使用した平板模型は,九州大学の実験資料に基づき,鹿児島造船所で製作されたも のである.(Fig.1,Tablel参照) LongitudinaIsection (fore&aftsymmetry) Temperature ofwaterin oC 108 16.0 16.0 【】【 Transversesection (Breadth24cm)
瀞
:
'
│
簿
普
,
+
56 Transverse (Breadth section 9cm) L 6 T unil:mm rT週terial:FOrmosancypress Fig.l・Flatplates. 20.2 13.0 19.4 15.0 Table1.Particularsoftestplates. Smooth Hat plate Jun・’8,l966 Feb、9,1967 Jun・’4,l966 Feb、9,1967 1.00 1.00 1.00 1.00 Thicknessof platein Inln. 0.240 0.090 ニ マ ッ 一 1.00 1.00 Testplate 8888 0.240 0.240 0.090 0.090 ↓ 」 ↓ Feb・’4,l967 Feb・’4,1967 RoughHatplate 1234-婚 L-‘sコーニーー−尾二
中山・奈良迫:回流水槽に於ける平板の摩擦抵抗試験 109 即ち平板は図の如く縦方向については前後端対称に流線型にしてある.上下方向について は,下部は先細に上部は支持フレームに取付けられる様な面を持っている.材料は台湾桧を 使用,平板下部にある円はバラスト用埋込み鉛である.(Fig.2参照) ⑨Spring ①FIatplate ⑩Knifeedgeof ②Beam horizontallever ③Pivotingpointof swingingframe⑪Triangle ⑫Pen ④Knifeedge ⑬Recordingdrum ⑤ 〃 〃 ⑭Motor ⑥Horizontallever ⑮Lead ⑦Weight ③Counterweightoffmme Fi9.2.MethodofResistancetest. 予備実験の際,平板模型に鉛を入れずに実験をした所,平板の浮力のため下部が斜めに浮 く傾向があり,その対策として平板を丸くえぐり取り,そこに鉛を埋込んだ後,平板全体に ニスを塗布した.これに依って平板の重心が下へ降り,水中運動に対する安定性を高めた. 又,粗面平板は,滑面平板上に理研cc-180の水ペーパーを貼布した. 実験は模型製作終了後,本学部大型回流水槽に於いて,昭和41年6月に滑面平板の流体抵 抗を,昭和42年2月に滑面平板と粗面平板の流体抵抗測定を行った.滑面平板の抵抗測定を 前後2回測定したのは,水温差による粘性のための流体抵抗変化をみるためである. 実験の要領は次の通り.
(1)Fig.2に示す如く測定する平板を,平板支持枠に固着し,それを所定の位置まで水中に入
れ前部取付金具の所と後部取付金具の所にバネ秤を掛け同時にそれらに掛る重量を求める. (2)(1)で測定した重量に等しいものを,各々の劉導装置,垂直枠下端に取付け,上下方向の バランスを取った後,平板をセットする.llO 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) (3)零点調整をする.その時はバネをFig.2の⑨に付け⑦に重量を掛け適当なバネと重量 を選び零点を決定する.
(4)Fig.2の⑦に209r・づつ重量を掛けて行き,記録紙上に20,40,60,80gr、の基準となる
ラインを引く. (5)100∼600r・p.m.の間に於いて,流体抵抗を測定する.尚,以後のグラフ,表に出て来る抵抗値はすべて水中にある平板支持枠フレーム部分の抵
抗値を差引いたもので,これを平板の流体摩擦抵抗とする.ここでは板の端縁効果の修正は
行なっていない.之については次の機会に触れる予定. 3.実験結果及び考察 〔I〕流速と流体摩擦抵抗について一般に流速が増加するに伴い,流体摩擦抵抗も増加するが,グラフを検討すると平板の種
類によって異るけれども,ある流速の点で曲線の傾斜が変化しているのが分る.(Fig.3,Table
2参照)即ちこの点の付近が臨界流速であり,層流と層流のくづれる乱流との境であろう.
100 90 80 70 60 50 40 Rf (gr)30│
”
10 01 K聖OshimaUniversity j U O ⑪ 日 u 0 、 0 日 【 H 】 0 , 日 J U O O E J U O O 5 2″ 〆 参参 毎夢移 020.30.40.50.60.70.80.9−→V(m/sec)
Fig.3.Frictionalresistancecurve.中山・奈良迫:回流水槽に於ける平板の摩擦抵抗試験 111 Table2.ValuesofVandRノweregivenattheExperimentsofKagoshimaUniversity。 Length (、) Breadth(、) Thickness(m、) Temperature(。C) Testnumber Uncorrected testresults 1.000 0.240 8 20.2 1.000 0.240 8 13.0 2 1.000 0.090 8 19.4 3 1.000 0.090 8 15.0 4 1.000 0.240 8 16.0 5 1.000 0.090 8 16.0 6 gr 0.22 3.68 8.95 15.10 25.60 37.00 〃 R , | 〃 R , | 〃 R ' l y R , | 〃 R , | 〃 R , 一般に流速が速くレーノルズ数の大きい所では,平板の乱流境界層の摩擦抵抗は層流の場合 に比べて著るしく大きい.之は乱流の拡散作用のため速度分布が一様に近づき,之に反して 平板の壁の近くでは壁のために流体の混合現象が妨げられ,そのため壁の極く近くには流体 が層流運動をなす極く薄い層(第二の層)が存在することが考えられ,又STANToNにより 実験的にも確かめられているが,この層の厚さは非常に薄く層の外側の速度は相当大きいか ら第二の層内即ち壁面における速度勾配は非常に大きく,従って速度勾配に粘性係数を掛け て得られる摩擦応力は当然大きいと考えられる.従って当然,乱流になると流体抵抗は増加 し,曲線の傾斜も大きくなる訳である.平板の幅,粗度によって,このグラフに現れた臨界 流速は異なっているように見えるが,これはその臨界流速が記録として現れる点が異なると いう事であって,同一レーノズノレ数に対する臨界流速が異なるという事ではない.即ち,板 幅が狭く,長さが短く,粗度が小さければそれだけ記録には臨界流速は低速時に現れにくく, 高速時に於いて現れるのである. この臨界流速を境にして流体摩擦抵抗は,それ以前よりも増加する割合が大きくなる.又, 水温の差によっても流体抵抗も異なる傾度を示すようである.即ち,水温の減少と共に,水 の粘性が大きくなり,平板の流体摩擦抵抗は増大する. 〔Ⅱ〕レーノルズ数と流体摩擦抵抗係数 平板摩擦抵抗の問題はW、FRouDE,F・GEBERs,G・KEMPF,K、E,ScHoENHERR,G・HuGHEs 等に依って今までに行なわれて来たが,筆者等は九州大学の資料と対比して流体摩擦抵抗係 数(cノ)とレーノズル数(R")との関係から流体摩擦抵抗の分析を行なった. 即ちR"=〃L/ン CノーR//loZL〃2 〃:相対流速、/sec L : 平 板 の 長 さ m ・ ソ:運動粘性係数m2/sec(Fig.4参照) RJ:流体中の摩擦抵抗k9. ,0:水の比質量k9.sec2.m-4(Fig.4参照)
Length Breadth Thickness Temperature 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) j 側伽伽側 Note:valuesofR”aregiveninunitsoflO5・ valuesofCノaregiveninunitsoflO−3. ,406 1.8 1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2
欣
・
J
1
ソ
1
.
0
1
;
0.6 Uncorrectedtest results lOB7653210
mm、剛、町剛、、帆飢肌、1111111111111
P
、
F V kg・segm4 P 0 10 20 30 − ℃ Fig.4.Valueofdensityandkinematicviscosityofwater. 40 Z:平板面の半周1/2ガース、、 上式よりR",Cノの関係を各々の平板の各流速〃について求め,これを表(Table3(a),(b)) にした.叉,それを両対数グラフに書いたものが,Fig.5である.Fig.5の(1)∼(6)のグラ フから本実験によるFrictionlineをFig.6に引いた. このFrictionlineの式をCノー〃(log10R卿−2)”で表わせば滑面平板では型=0.047,7z= 1.68を得る.従って鹿大回流水槽に於ける滑面平板ではC/=0.047/(log10R"−2)1.68となる. Table3−(a).ValuesofR”andC,weregivenattheExperiments ofKagoshimaUniversity. 1.000 0.090 8 19.4 守ノー1A宝、0句皇貝Jnコ 宛QUQUラノRURU月J刈了 R999,.999 ●●●●●●● 1旦○垂QJ4壷貝J医Uワノ 4.295cJ 4.864 4.910 4.794 4.624 4.550 4.723 1.000 0.240 8 13.0 c, 5.455 4.606 5.044 5.367 5.485 5.387 5.164 112 Ru九宝⑥皇nUQURU刈茜 泥nコnコnコn.QUoOQU R9999999 ●●●●●●● 11O今⑥へJ刈茜医J︽院Uワノ 1.000 0.240 8 20.2 3 nコ凡壷nコ4缶QUQJ刀誰 沌︽品UnUQJワノnU別宝虞U R653︲1086 ●●■●●●● 11○二QJAT貝J貝J︽品︺ cノ 4.700 5.539 5.543 5.231 5.052 4.979 5.077 Testnumber 1 2Fig.5−(1).FrictionLine. 中山・奈良迫:回流水槽に於ける平板の摩擦抵抗試験 113 Table3-(b).ValuesofR"andqweregivenattheExperiments ofKagoshimaUniversity. c' 5.450 5.388 5.518 5.581 5.843 6.162 6.302 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 − → R n 6
'
o
r
;
庁
100Om O2ZbOm 20.2℃ 1.000 0.090 8 16.0 1.000 0.240 8 16.0 1.000 0.090 8 15.0 j 刈刈唖、 くくくく Length Breadth Thickness Temperature 句皇QJヲ〃貝J貝J虞U弓〃 加nUnUnUnUnUnUnU R876員J432 ●●●●●●● 11,坐QJ別T貝J虞U弓〃 6 5 4 TestNumber R邦 1.754 2.631 3.508 4.385 5.262 6.139 7.016 C fl
’
T e s t n o 、 1 . LengthOfplate Breadthofplate Temperature Uncorrectedtest results 3 の皇輿J弓〃貝J貝JRU守J 犯nUnUnUnUnUnUnU R8765432 11句空qJ4r貝﹄貝J旬〃 c/ 5.314 5.995 5.927 6.082 5.950 5.856 6.055 cノ 5.450 4.965 5.313 5.448 5.571 5.494 5.246ぴ987654
。I/←一一−−−→一
Note:ValuesofR,zaregiveninunitsoflO5・ ValuesofC/aregiveninunitsoflO−3.r98765 1 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) 114 び98765 1 Fig.5−(3).FrictionLine. 2 3 4 5 6 7 3 9 1 0 − R n 4 3 Testno、2 Lengthofplate Breadthofplate Temperature C f
l
’
1pOOm q240m l30・C'
0
「
衿
6 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 − R n Fig.5−(2).FrictionLine.'
0
;
渉
、
ノー一−−∼
4 3 Testno‘3 LengthofpIate Breadthofplate Temperature Cfl
‘
100α、 0.090m 194℃2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 6 − R n 中山・奈良迫:回流水槽に於ける平板摩擦抵抗試験 Fig.5−(4).FrictionLine. ぴ98765 1
ぴ987654
1’ Fig.5−(5).FrictionLine. 4 3 Test no、4 LengthOfpiate Breadthofplate TemPerature Cfl
‘
1.000m 0.090m 15.0.C'
0
「
;
b
:
115'
0
衿
2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 ‘ 一 R n/ 三 一 一 一
C fl
’
3 T e s t n o 、 5 Lengthofplate BreadthofpIate Temperature 1.000m 0240m 16.0°C0 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) 116 J ⑥ C f
l
】【Ⅱ 1 n J Fig.6.FrictionLine. Fig.5−(6).FrictionLine.ぴ937654
1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 − R n 、 、 KagoshimaUniversity −Smo◎thflatpla2e −−ROughflatplate KyUShuUniverSity 一・一Smoothflatplate 3 Cfl
’
'
0
衿
b 中山・奈良迫:回流水槽に於ける平板摩擦抵抗試験 Testnumber C 之に対比すべき九州大学曳航水槽滑面平板では,Fig.6の九州大学のFrictionlineの式 Cノー0.173/(log10R"−2)2.55である. 九州大学の実験はR鰯が105∼107の範囲で行われているが,鹿児島大学の実験は平板の大 きさと,回流水槽の′性能から現在の所,R”を105∼106の範囲内に限定せざるを得ず,この間 でのR”とcノの関係を分析した.又,九州大学曳航水槽に於ける抵抗値R/としては測定 値R/,0に,トリップ・ワイヤ使用に基づく修正量4RJ0=0.001,0%〃2を加え平板の端縁効 果に基づく修正量R/‘を差引き,相対流速〃は,測定時の曳航速度脇に水槽の周縁効果
に
基
つ
く
修
正
量
〃
=
n
m
(
÷
)
‘
"
"
“
、
=
告
(
m
:
B
,
、
岬
。
f
"
・
伽
.
雛
)
を
加
え
た
も
の
であって,その資料(Table4)をFig.3中に追記して,回流水槽実験のものと比較対比した. Table4.ValuesofR”andCJweregivenattheExperimentsofKyushuUniversity. . 既述の如く回流水槽に就いては端縁効果の修正は行っていないので,厳密な意味での鹿児島 大学回流水槽の抵抗値は之よりやや下廻ることになる.Fig.3のグラフによると低速時に於 ては回流水槽の抵抗値と曳航水槽のそれとの差が大きく,高速時に於てはその差が少なくな るが,傾向としては後者の値が前者の値よりかなり大きいようで,その結果はむしろ現在迄 の所では回流水槽の実験値の方が従来正しいとされて来たK,E・ScHoENHERR,G・HuGHEs らの値に近い. 同様にして粗面平板の流体摩擦抵抗に於けるR”とCノとの関係を求めたが,滑面平板の 場合よりもCノは当然高く,且つ,ゆるやかに変化するようである. Cノー0.0077/(log,0R"−2)0.202 Note:ValuesofR”aregiveninunitsoflO5・ ValuesofCノaregiveninunitsoflO−3. Correctedtestresults R,z 3.65 4.17 4.91 5.52 6.37 6.97 7.76 8.54 9.18 9.89 1.000 0.090 8 8.3 1.000 0.090 8 20.0 1.000 0.240 8 21.2 1.000 0.240 8 7.5 j 幼刺皿切 くくくく Length Breadth Thickness Temperature R72 5.11 5.87 3.73 4.26 6.43 6.92 7.30 7.66 8.28 8.69 R” 3.57 4.30 5.03 5.54 5.83 6.78 7.29 6.41 8.16 9.03 117 R,2 3.83 4.45 5.40 5.94 6.19 6.76 7.10 7.89 7.85 8.44 c/ 6.361 6.111 5.889 5.885 5.539 5.526 5.291 5.677 5.113 4.879 6268316374 G判的茄肥判肥朋狸加肥 ●●●●●●●●●● 4577555555 9609860159 J8963032712 C3156322206 6655655557 cJ 5.908 7.124 5.480 5.127 5.619 5.316 5.409 1.485 5.035 4.979118 鹿児島大学水産学部紀要第16巻(1967) 4 . 結 論 一般に流向に対して平行に置かれた薄い平板の流体摩擦抵抗はその平板の表面積及び表面 粗度,水温,流速等によって決定される. 即ち,平板の表面積及び表面の粗度が小さく,水温が高く,流速がおそい程,流体摩擦抵 抗は小さい.レイノルズ数(R")と摩擦抵抗係数(cノ)及び摩擦抵抗(R,)との関係は次式の 通りで,夫々回流水槽の乱流中で流行に平行に置かれた平板は次式を満足する様な,流体摩 擦抵抗を受ける. 滑面平板では Cノー0.047/(log,0R"−2)1.68 Rノー[0.047/(log,0R鰯−2)1.68],oZL'2 粗 面 平 板 で は C,=0.0077/(log10R"−2)0.20 R,=[0.0077/(log10R"−2)0.20],oZL'2 本実験では模型の大きさと回流水槽の流速の限界から現在,R”は2∼9×105程度であるが, その間に於いてはC'は曳航水槽の値,即ち,九州大学,上野氏提案の修正実験式 C/=0.173/(log10R認−2)2.55 の値より小さく,むしろK・E・ScHoENHERR,G・HuGHEsのそれに近い. l ) 2 ) 3 ) 4 ) 5 ) 6 ) 文 献 植松時雄(1963):“水力学''43∼45(産業図書株式会社,東京,日本) 藤本武助(1957):“水力学概論''38∼62(養賢堂,東京,日本) 石原藤次郎・本間仁(1957):“応用水理学上'’11∼40(丸善,東京う日本) UENO,K、,M・ToKuNAGA.,andT.HARA(1963):“OntheFlatPlateExperimentsofKyushu University''’27,35∼60.(JournalofthesocietyofNavalArchitectsofwestJAPAN) 藤本武助(1941):“応用流体力学''407(丸善株式会社,東京,日本) 谷一郎(1967):“流れ学'’161(岩波書店,東京,日本)