7． 流体工学
7.1 はじめに
7.2 乱流
7.2.1 数値計算／7.2.2 実験・乱流統計量・理論・遷移
7.3 噴流
7.4 圧縮性流れ
7.5 混相流
7.5.1 気液系混相流／7.5.2 その他（粒子含む流れや液液および固気液混相流など）／7.5.3 新型コロナウイルスに関連して
7.6 非ニュートン流体
7.7 流体機械
7.8 流体騒音
7.8.1 概況／7.8.2 国内の状況／7.8.3 国外の状況／7.8.4 まとめ
7.9 生体・生物
7.10 自然エネルギー
7.10.1 風力発電／7.10.2 流力振動発電
7.11 流れの可視化・計測
7.1 はじめに
新型コロナウイルス感染症の影響で，国内外を問わず，2020年前半において対面で実施予定の講演会や講習会は中止または延期になり，その後はオンラインによる開催になった．日本機械学会の2020年度年次大会（1）の中で流体工学部門が関わるものとして2件のワークショップ，4件のオーガナイズドセッションと15件の他部門とのジョイントセッション，第98期流体工学部門講演会（2）では14件のオーガナイズドセッションと，コロナの影響も少なく，Zoom上で活発な議論と情報交換がなされた．この新型コロナウイルス感染症は感染者の口などから放出するウイルスを含んだ飛沫を吸い込むことによって発症する．しかし，飛沫の拡散の様子は目で見ることが出来ない．スーパーコンピュータ「富岳」による数値流体解析のアニメーション，高速ビデオとレーザーシート光による飛沫の可視化動画がニュースで放映されることで，数値流体力学（CFD）と実験流体力学（EFD）の技術の凄さとその有用性を改めて認識した年であった．
本章の流体工学おける2020年の研究動向に関して，乱流，噴流，圧縮性流れ，混相流，非ニュートン流体，流体機械，流体騒音，生体・生物，自然エネルギー，流れの可視化・計測の11項目について調査を行った．乱流に関しては，乱流の普遍的な性質や維持メカニズム等についての実験や数値流体解析の研究が紹介され，噴流に関しては，流れの安定性や遷移，騒音，動的制御手法などの研究が示されている．また，圧縮性流れに関しては，衝撃波の発生やマイクロ流路における圧縮性の影響などの研究や新しいテキストが紹介されている．混相流に関しては，気液系混相流，粒子を含む流れや液液および固気液の流れ等の研究が紹介され，研究対象別論文数割合が示されている．非ニュートン流体に関しては，粘塑性流体，降伏応力流体，シアバンドに関する研究，流動特性の計測手法などの研究が紹介されている．流体機械に関しては，ポンプ，水車，ファン，ターボチャージャーなどの回転機械に関する研究が紹介されている．流体騒音に関しては，流れの中にある物体から発生する騒音，騒音制御，空力音の音源探査手法などのEFD技術，CFD技術が紹介されている．生体・生物に関しては，コロナウイルスに関連した飛沫の可視化，医工学関連，バイオミメティクス（生物模倣）に関する研究が報告されている．自然エネルギーに関しては，風力発電と流力振動発電に絞って，その関連する研究について述べられている．最後に，流れの可視化・計測に関しては，PIV（Particle Image Velocimetry），PTV（Particle Tracking Velocimetry），LIF（Laser Induced Fluorescence）等の可視化計測に関連した研究が紹介されている．
興味がある項目をご覧頂き，流体工学関連の研究開発を行っている方々の一助となれば幸甚である．
〔木綿 隆弘 金沢大学〕
参考文献
(1)日本機械学会2020年度年次大会 講演プログラム
https://jsmempd.com/conference/jsme_annual/2020/program/ （参照日2021年5月12日）
(2)日本機械学会第98期 流体工学部門講演会 講演プログラム
https://www.jsme.or.jp/conference/fedconf20/doc/program.html/ （参照日2021年5月12日）
7.2 乱流
7.2.1 数値計算
乱流が関わる流体現象の予測や制御を実現し，流体機械の性能向上に貢献するために，数値計算の技術を用いて，乱流の維持や変化のメカニズムを調べる研究が進められている．その中で，乱流渦に注目した基礎研究や，幅広い周辺分野との関係を考慮した研究が実施され，さらに，新しい概念に基づく発展の方向性が考えられている．
普遍的な乱流の性質と根源的な維持メカニズムを知るために，引き続き，比較的単純な境界条件の壁面に沿う単相ニュートン流体の乱流の直接数値シミュレーション（DNS）により，乱流遷移，乱流維持に関する研究が続けられている．DNSの結果からフィルタリングで抽出した大規模渦とヘアピン渦の関係（1），異なるスケールの乱流構造の相互作用とスペクトルの特徴（2）が観察されている．さらに，発達した乱流中の非粘性現象に対する線形化仮定による予測精度（3）が評価されている．また，逆ヘアピン渦の存在に注目して，円管内の乱流遷移現象（4）が調べられている．非平衡壁境界乱流の応答を捉えるマルチスケールモデル（5）が提案され，数値シミュレーションの結果によって検証されている．粗面乱流のミニマルフローユニットに関する研究（6）も実施されている．
幅広い応用範囲のための乱流の予測法と制御法に向けて，乱流と周辺分野との関係を考慮した複合的な流体現象や，周辺の物理現象が外的作用として乱流を変調させる現象も研究対象になっている．例えば，粗面乱流において，粗さ要素の特徴の違いによる乱流への影響が調べられている．粗さの効果を有する壁面に沿う乱流DNSの結果により，粗さ高さや表面勾配による乱流の正規化の分類と壁面摩擦抵抗の予測モデル（7）が示された．同様に，DNSの結果により，粗さの傾斜と分布の歪度（8），表面異方性の強さ（9）が乱流変調に与える影響が観察された．粗さ要素の形状の種類に注目した研究例として，流れに対して2次元的および3次元的粗さ要素の存在による乱流変調（10）が，また，実験で抵抗低減効果が予測されているシャローディンプルによる渦度輸送のメカニズム（11）が調べられた．粗面乱流とその他の物理現象との関係に注目した研究も実行されており，大気境界層を想定して，粗面に沿うエクマン境界層をDNSで再現し（12），エネルギー収支の観点から，乱流変調のメカニズムが調べられた．また，粗面ダクト内流れ（13），円管内脈動流（14）に関する研究もある．
壁面の性質と乱流との関係として，多孔質体に沿う乱流（15）がDNSで再現されて，多孔質体の異方性が乱流変調に与える影響（16）が調べられている．多孔質体において熱輸送を調べた研究（17）（18）は，実際の流体機械における影響を予測することになり，乱流の基礎研究が実用の範囲まで発展した研究例である．さらに，数値シミュレーションで植生を想定した壁面に沿う乱流（19）～（21）の研究も実行されている．乱流と他の物理現象との関わりに注目した例として，気泡による乱流抵抗低減（22）や，マイクロバブルの挙動（23）を調べた研究もある．ニュートン流体に限らず，粘弾性流体の乱流噴流（24），界面活性剤を含んだ液滴群を伴うチャンネル乱流（25）の数値シミュレーションも実行されている．今後，さらなる数値解析法の改良，計算機性能の向上により，幅広い応用に向けて研究が発展していくことが期待できる．
数値シミュレーションによる乱流現象の維持，変調メカニズムの解明とは別に，機械学習に基づく乱流研究（26）～（28）が成果を出しつつある．そして，機械学習によるDNSデータベースの低次元化（29），乱流エネルギー収支の予測（30），RANSシミュレーションへの利用（31）が試みられている．人間が理解できるメカニズムの解明に依ることなく，乱流の予測と制御を実現できる方法として，今後の研究成果が注目される．
〔太田 貴士 福井大学〕
参考文献
(1) Motoori, Y. and Goto, S., Hairpin vortices in the largest scale of turbulent boundary layers, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.86 (2020), 108658, DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108658.
(2) Yasuda, T., Goto, S. and Vassilicos, J. C., Formation of power-law scalings of spectra and multiscale coherent structures in the near-field of grid-generated turbulence, Physical Review Fluids, Vol.5, No.1 (2020), 014601, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.5.014601.
(3) Encinar, M. P. and Jiménez, J., Momentum transfer by linearised eddies in turbulent channel flows, Journal of Fluid Mechanics, Vol.895 (2020), A23, DOI: 10.1017/jfm.2020.302.
(4) Wu, X., Moin, P. and Adrian, R. J., Laminar to fully turbulent flow in a pipe: scalar patches, structural duality of turbulent spots and transitional overshoot, Journal of Fluid Mechanics, Vol.896 (2020), A9, DOI: 10.1017/jfm.2020.304.
(5) Lozano-Durán, A., Giometto, M. G., Park, G. I. and Moin, P., Non-equilibrium three-dimensional boundary layers at moderate Reynolds numbers, Journal of Fluid Mechanics, Vol.883 (2020), A20, DOI: 10.1017/jfm.2019.869.
(6) Zhang, B., Huang, W. and Xu, C., Rough-wall turbulence in minimal flow units with rod-roughened walls, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), 115120, DOI: 10.1063/5.0028015.
(7) Ma, G., Xu, C., Sung, H. and Huang, W., Scaling of rough-wall turbulence by the roughness height and steepness, Journal of Fluid Mechanics, Vol.900 (2020), R7, DOI: 10.1017/jfm.2020.542.
(8) Kuwata, Y. and Nagura, R., Direct numerical simulation on the effects of surface slope and skewness on rough-wall turbulence, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), 105113, DOI: 10.1063/5.0024038.
(9) Busse, A. and Jelly, T. O., Influence of surface anisotropy on turbulent flow over irregular roughness, Flow, Turbulence and Combustion, Vol.104 (2020), pp.331-354, DOI: 10.1007/s10494-019-00074-4.
(10) Choi, Y. K., Hwang, H. G., Lee, Y. M. and Lee, J. H., Effects of the roughness height in turbulent boundary layers over rod- and cuboid-roughened walls, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.85 (2020), 108644, DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2020.108644.
(11) Ng, J. H., Jaiman, R. K., Lim, T. T., Tay, C. M. and Khoo, B. C., Geometric effects of shallow dimples in turbulent channel flows at Reτ=180: a vorticity transport perspective, Flow, Turbulence and Combustion, Vol.105 (2020), pp.83-122, DOI: 10.1007/s10494-020-00112-6.
(12) Lee, S., Gohari, S. M. I. and Sarkar, S., Direct numerical simulation of stratified Ekman layers over a periodic rough surface, Journal of Fluid Mechanics, Vol.902 (2020), A25. DOI: 10.1017/jfm.2020.590.
(13) Mahmoodi-Jezeh, S. V. and Wang, B., Direct numerical simulation of turbulent flow through a ribbed square duct, Journal of Fluid Mechanics, Vol.900 (2020), A18, DOI: 10.1017/jfm.2020.452.
(14) Jelly, T. O., Chin, R. C., Illingworth, S. J., Monty, J. P., Marusic, I. and Ooi, A., A direct comparison of pulsatile and non-pulsatile rough-wall turbulent pipe flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol.895 (2020), R3, DOI: 10.1017/jfm.2020.337.
(15) Wood, B. D., He, X. and Apte, S. V., Modeling turbulent flows in porous media, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol.52 (2020), pp.171-203, DOI: 10.1146/annurev-fluid-010719-060317.
(16) Li, Q., Pan, M., Zhou, Q. and Dong, Y., Turbulent drag modification in open channel flow over an anisotropic porous wall, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), 015117, DOI: 10.1063/1.5130647.
(17) Kuwata, Y., Tsuda, K. and Suga, K., Direct numerical simulation of turbulent conjugate heat transfer in a porous-walled duct flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol.904 (2020), A9, DOI: 10.1017/jfm.2020.669.
(18) Nishiyama, Y., Kuwata, Y. and Suga, K., Direct numerical simulation of turbulent heat transfer over fully resolved anisotropic porous structures, International Journal of Heat and Fluid Flow, Vol.81 (2020), 108515, DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2019.108515.
(19) Sharma, A. and García-Mayoral, R., Scaling and dynamics of turbulence over sparse canopies, Journal of Fluid Mechanics, Vol.888 (2020), A1, DOI: 10.1017/jfm.2019.999.
(20) Sharma, A. and García-Mayoral, R., Turbulent flows over dense filament canopies, Journal of Fluid Mechanics, Vol.888 (2020), A2. DOI: 10.1017/jfm.2020.27.
(21) Monti, A., Omidyeganeh, M., Eckhardt, B. and Pinelli, A., On the genesis of different regimes in canopy flows: A numerical investigation, Journal of Fluid Mechanics, Vol.891 (2020), A9, DOI: 10.1017/jfm.2020.155.
(22) Zhang, X., Wang, J. and Wan, D., Euler-Lagrange study of bubble drag reduction in turbulent channel flow and boundary layer flow, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), 027101, DOI: 10.1063/1.5141608.
(23) Zhai, J., Fairweather, M. and Colombo, M., Simulation of microbubble dynamics in turbulent channel flows, Flow, Turbulence and Combustion, Vol.105 (2020), pp.1303-1324, DOI: 10.1007/s10494-020-00136-y.
(24) Guimarães, M., Pimentel, N., Pinho, F. and Da Silva, C., Direct numerical simulations of turbulent viscoelastic jets, Journal of Fluid Mechanics, Vol.899 (2020), A11, DOI: 10.1017/jfm.2020.402.
(25) Soligo, G., Roccon, A. and Soldati, A., Effect of surfactant-laden droplets on turbulent flow topology, Physical Review Fluids, Vol.5, No.7 (2020), 073606, DOI: 10.1103/PhysRevFluids.5.073606.
(26) Brunton, S. L., Noack, B. R. and Koumoutsakos, P., Machine learning for fluid mechanics, Annual Review of Fluid Mechanics, Vol.52, No.1 (2020), pp.477-508, DOI: 10.1146/annurev-fluid-010719-060214.
(27) Pandey, S., Schumacher, J. and Sreenivasan, K. R., A perspective on machine learning in turbulent flows, Journal of Turbulence, Vol.21 (2020), pp.567-584, DOI: 10.1080/14685248.2020.1757685.
(28) 深潟 康二, 深見 開, 機械学習を用いた乱流ビッグデータ解析に向けて, 計測と制御, Vol.59, No.8 (2020), pp.571-576, DOI: 10.11499/sicejl.59.571.
(29) Mohan, A. T., Tretiak, D., Chertkov, M. and Livescu, D., Spatio-temporal deep learning models of 3D turbulence with physics informed diagnostics, Journal of Turbulence, Vol.21 (2020), pp.484-524, DOI: 10.1080/14685248.2020.1832230.
(30) Inubushi, M. and Goto, S., Transfer learning for nonlinear dynamics and its application to fluid turbulence, Physical Review E, Vol.102, No.4 (2020), 043301, DOI: 10.1103/PhysRevE.102.043301.
(31) Fang, R., Sondak, D., Protopapas, P. and Succi, S., Neural network models for the anisotropic Reynolds stress tensor in turbulent channel flow, Journal of Turbulence, Vol.21 (2020), pp.525-543, DOI: 10.1080/14685248.2019.1706742.
7.2.2 実験・乱流統計量・理論・遷移
乱流の実験は，粒子画像計測法（PIV）などの近年の高情報化した計測技術を駆使した研究が見られ，直接数値計算（DNS）をはじめとする数値シミュレーションの結果と合わせて，その高度に集積化した情報から乱流の本質に迫ろうとする試みがなされている．特に高レイノルズ数や複雑な境界条件および流体にポリマーや粒子が加えた事例が見られる．
乱流境界層の実験としては，風洞実験で乱流境界層を4本の熱線風速計で2次元スペクトルの計測（1），逆圧力勾配とレイノルズ数の影響の分離の試み（2），混合不安定性過程（mixing-instability hypothesis）を用いて新しい平均分布予測法 （3），非常に高いレイノルズ数の円管乱流の平均速度分布に関する新たな指数則 （4） の研究がある．また，壁面摩擦速度を条件に統計量を抽出し，チャンネル流の確率密度分布（PDF）と統計量の非対称性（5）が示されている．
乱流境界層の乱れ構造に対し，トモグラフィックPIVのデータから乱流境界層について低速ストリークの時間発展（6），時間分解能を有するPIVによるコヒーレント構造に着目した乱流境界層の実験（7）がある．乱流円管内に関しては，PIVの結果から条件抽出法や二次元スペクトルを求めている（8）．乱流オープンチャンネル流において壁に取り付けた流れ方向のridgeの影響をPIVで調べている（9）．
乱流壁せん断層の維持機構に関して，乱流チャンネル流を想定しその壁近傍の領域に制限しさらに外側との相互作用を絶った数値計算からの壁近傍乱流の自律性（10）についてや，線形増幅メカニズムの解析からクウェット流が壁垂直変動成分から流れ方向変動成分への生成がチャンネル流よりも効率的であるとの報告（11）がある．大気乱流の維持機構については，傾圧不安定に対する大気モデルであるEady modelに対しTransient（non-modal）growth theoryの適用（12）が試みられている．
壁せん断層以外の流れに対する理論的アプローチには，乱流エネルギーカスケードを支配するメカニズムを検討 （13），Lie対称性解析用いた乱流理論から二次モーメントクロージャのモデル方程式への試み（14） が示されている．自由剪断層においてlarge-Re asymptotic analysisを行い，慣性系におけるexact coherent stateを求められており（15），二次元乱流に現れる系のスケールを持つ凝集体（condensates）の生成する逆カスケードについて調べられている（16）．また，二次元乱流チャンネル流に線形フィードバック制御に関する研究がある（17）．
粒子を含む流れに関する実験で，風洞を用いた乱流境界層中のPITとPTVの結果から流れに対し粒子の平均速度が遅れることについて考察しており（18），砂漠での大気境界層の観測を行い空気中に砂が浮遊している場合としていない場合を比較している（19）．
乱流境界層に対する壁面の影響については，砂紋による影響（20），リブレットによる影響（21）が実験的に調査されており，流れのPIVと壁面変形のマッハ・ツェンダー干渉計での計測から乱流境界層と壁面形状変化の相互作用を調べている（22）．下面が河川の堆積物を模した粗さをもつ開放チャンネル流をPIVで測定（23），底面にガラスビーズを敷き詰めた場合の乱流境界層を超音波流速計で計測（24）している．壁とは反対側の主流側の影響に関しては，主流乱れについてそのターンオーバー時間が大きい場合の乱流境界層への影響（25），LESのデーターから大気境界層の統計に対する地球の自転による水平成分の影響（26），逆圧力勾配の影響（27）が調べられ，開放型風洞における乱流境界層の実験と密閉型風洞との比較（28）が行われている．
乱流境界層に関する応用的な研究として，太陽熱発電施設で使われる反射鏡ヘリオスタットについて大気境界層での空力特性が調べられている（29）．
乱流遷移に関する研究として，主流乱れによる境界層遷移を熱線流速計で計測し乱れの強さとスケールが変わった時のモデルを提唱されている（30）．他に主流乱れによる遷移に関して，タービンブレードのような曲率を持つ壁面状に発達する境界層の遷移を数値計算（31），後退翼上に発達する境界層の遷移（32），前縁上流に周期的な後流が通過する場合の境界層遷移に関するPIVを用いた実験（33），主流乱れによる境界層遷移に対する壁面上のセンサーとアクチュエーターによる制御をDNSで試み（34）がある．境界層が発達する壁面にステップ上の突起に音波をあて，発生するT-S波について線形応答と非線形応答について報告されており（35），壁面上の二次元コブ状のハンプによる境界層遷移を数値計算（36），ラフネスによる境界層遷移の実験（37）がある．
壁面に囲まれた遷移流れにおける斜めの乱流バンドについては，平面クエット流れ，平面ポアズイユ流れ，逆回転テイラークエット流れ，ねじれクエット流れ，および環状管流で観察されており，それに関する維持または消滅について総括的に研究されている（38）．さらに，遷移チャンネル流において乱流縞の発生と維持を移動局所力により制御（39），チャンネル流における乱流バンドの数値計算と流れの可視化（40），デルタウイングレット対によるチャンネル流の遷移に関するPIVを用いた実験（41）がある．解析的な研究として，クウェット流においてdynamic mode decomposition（DMD）を用いて不安定周期軌道（unstable periodic orbits）の検索の試み（42）が報告されている．パイプ流では，邪魔板baffleによって分布を平にして再層流化手法を理論的に解析（43），血管流を模した管内脈動流の遷移についての実験と計算（44）がある．
抵抗軽減に関する実験として，遷移レイノルズ数付近で円管流にポリマーを加えてPIVにより観察し，ごく少量のポリマー添加で遷移を送らす一方，一定量の添加では逆に遷移を早めていることを明らかにされている（45）．乱流境界層に対するポリマー添加による抵抗低減（46）（47），乱流境界層が発達する壁面をスパン方向に揺らすことによる摩擦低減に関する実験（48）がある．
〔松原 雅春 信州大学〕
参考文献
(1) Deshpande, R., Chandran, D., Monty, J. and Marusic, I., Two-dimensional cross-spectrum of the streamwise velocity in turbulent boundary layers, Journal of Fluid Mechanics, Vol.890(2020), R2.
(2) Vila, C.S., Vinuesa, R., Discetti, S., Ianiro, A., Schlatter P. and Örlü R., Separating adverse-pressure-gradient and Reynolds-number effects in turbulent boundary layers, Physical Review Fluids, Vol.5(2020), 064609.
(3) Ali, Sk Z. and Dey S., The law of the wall: A new perspective, Physics of Fluids Vol. 32(2020), 121401.
(4) Anbarlooei, H. R., Cruz, D. O. A. and Ramos, F., New power-law scaling for friction factor of extreme Reynolds number pipe flows, Physics of Fluids, Vol. 32(2020), 095121.
(5) Cheng, C., Li, W., Lozano-Durán, A. and Liu, H., On the structure of streamwise wall-shear stress fluctuations in turbulent channel flows, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 903(2020), A29.
(6) Jiang, X.Y., Lee, C. B., Smith, C. R., Chen, J. W. and Linden, P. F., Experimental study on low-speed streaks in a turbulent boundary layer at low Reynolds number, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 903(2020), A6.
(7) Wang, K., Li, B., Liu, L., Wang, C. and Jiang, N., Experimental measurement of coherent structures in turbulent boundary layers using moving time-resolved particle image velocimetry, Physics of Fluids, Vol. 32(2020), 115102.
(8) Gul, M., Elsinga, G. and Westerweel, J., Internal shear layers and edges of uniform momentum zones in a turbulent pipe flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 901(2020), A10.
(9) Zampiron, A., Cameron, S. and Nikora, V., Secondary currents and very-large-scale motions in open-channel flow over streamwise ridges, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 887(2020), A17.
(10) Carney, S., Engquist, B. and Moser, R., Near-wall patch representation of wall-bounded turbulence, Journal of Fluid Mechanics, 903(2020), A23.
(11) Illingworth, S., Streamwise-constant large-scale structures in Couette and Poiseuille flows, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 889(2020), A13.
(12) Zemskova, V., Passaggia, P. and White, B. (2020), Transient energy growth in the ageostrophic Eady model, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 885(2020), A29.
(13) Carbone, M. and Bragg, A., Is vortex stretching the main cause of the turbulent energy cascade? Journal of Fluid Mechanics, Vol. 883(2020), R2.
(14) Klingenberg, D., Oberlack, M. and Pluemacher D., Symmetries and turbulence modeling, Physics of Fluids Vol. 32(2020), 025108.
(15) Montemuro, B., White, C., Klewicki, J. and Chini, G., A self-sustaining process theory for uniform momentum zones and internal shear layers in high Reynolds number shear flows, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 901(2020), A28.
(16) Linkmann, M., Hohmann, M. and Eckhardt, B., Non-universal transitions to two-dimensional turbulence, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 892(2020), A18.
(17) Linkmann, M., Knierim, F., Zammert, S. and Eckhardt, B., Linear feedback control of invariant solutions in channel flow, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 900(2020), A10.
(18) Berk, T. and Coletti, F., Transport of inertial particles in high-Reynolds-number turbulent boundary layers, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 903(2020), A18.
7.3 噴流
噴流は流動現象における基本的現象であり，工学上でも多岐にわたる分野において着目される流れであり，2020年度も多くの研究報告やレビューが示されている．ここでは引用数が多い文献等を中心に紹介する．
噴流の安定性や遷移に関し，旋回乱流噴流中の秩序構造を形成する単一および二重らせん状渦の挙動に関する実験（1），動的モード分解法を用いた亜臨界から超臨界状態における円形液体噴流の安定性解析（2），バーナーからの予混合燃焼による音響波と相互作用する予混合火炎に対する安定性（3），エアーブラストアトマイザーにおける気液混相流の不安定成長とフラグメント形成（4），可変旋回乱流噴流における渦芯振動の弱非線形解析（5），静止気体中に吹き出す液体平面噴流の不安定性（6）などの，単純な噴流とは異なる複雑な条件の研究が多く報告されている．また，液体噴流などの分裂と凝集に関するレビュー（7）なども示されている．
噴流が関連する騒音については，航空機の機体表面と噴流の相互作用による近傍場の圧力変動に関するシミュレーション（8），翼やフラップと干渉する亜音速噴流による圧力変動の実験（9），ロケットや垂直離着陸機を想定した，壁面に衝突する鋭利なノズルリップから吹き出す超音速不足膨張ジェットへの乱れの受容特性の解析（10），傾斜面に衝突する超音速ジェットの実験（11）など，噴流と壁面が干渉する流れが着目されている．一方，超音速平面ジェットにおけるスクリーチ音のノズルリップの影響に関するシミュレーション（12），マッハ波などの放射圧力変動のレイノルズ数依存性に関する実験（13），亜音速せん断流における秩序構造に着目した音響放射解析（14）などの自由噴流の報告もなされている．
噴流の動的制御の分野では，圧電振動板などによる周期的な脈動噴流のシンセティックジェットにおける合成噴流アクチュエータに関するレビュー（15），熱伝達促進に関するシンセティックジェットアクチュエータに関するレビュー（16）などが示され，また，イカのような変形をともなう推進器からのパルスジェット（17）（18）などのユニークな研究が報告されている．また，混合促進に関する研究では，スクラムジェットエンジンに関する報告が多く，壁面からの水素ジェットの混合促進に関し，噴流吹き出し口上流側に設けた正弦波壁の影響（19），バックステップを設けた影響（20）など静的制御手法が注目されている．
近年活用が盛んになっている機械学習を応用した研究としては，人工ニューラルネットワークを利用した超音速複雑形状ノズルからの騒音予測（21），乱流ジェットの混合効率を高める人工知能制御（22）などの研究報告なされている．また，コロナウイルスの世界的な感染拡大にともない，マスクおよびフェイスシールドに関する報告（23）（24），ヒトの呼気中の飛沫の輸送に関するモデリングアプローチ（25）など，咳や呼吸などにともなう噴流現象に関する報告もなされており，飛沫とエアロゾルによるCOVID-19ウイルスの感染に関するレビュー（26）なども示された．
日本機械学会の年次大会2020および第98期流体工学部門講演会において，噴流やせん断流を扱うオーガナイズドセッションで60件以上の報告がなされ噴流が関する工学的な問題への関心が伺える．
〔渡辺 大輔 富山大学〕
参考文献
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(24)Verma, S., Dhanak, M., Frankenfield, J., Visualizing droplet dispersal for face shields and masks with exhalation valves, Physics of Fluids, Vol.32, No.9, 091701, DOI:10.1063/5.0022968.
(25)Wang, B., Wu, H., Wan, X., Transport and fate of human expiratory droplets-A modeling approach, Physics of Fluids, Vol.32, No.8, 083307, DOI:10.1063/5.0021280.
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7.4 圧縮性流れ
物体に作用する圧力が増加すると，その体積は減少し，密度は増加する．流体に作用する圧力は流速とともに変化するため，流体が運動すると少ならからずその密度は変化する．例えば，定常1次元非粘性等エントロピー流れの場合，流速の微小変化$\Delta u$に伴う密度変化$\Delta\rho$は，運動方程式（オイラー方程式）に基づいて，次式のように与えられる（1）．
$$\frac{\Delta\rho}{\rho}\approx-\left(\frac{u}{a}\right)^2\frac{\Delta u}{u}=-M^2\frac{\Delta u}{u}$$
ここで$M=u/a$（ $a$ :音速）はマッハ数であり，流速変化と密度変化とを関係付ける重要な無次元数である．上式より，${M}\ll {1}$の場合流速が変化しても密度変化は非常に小さく， $M→0$ （$ a→∞$ ）の極限では $\mathrm{\Delta\rho\rightarrow0}$ となることがわかる．このような流れは非圧縮性流れと呼ばれ，密度を一定として取り扱われる．これに対して，密度変化が無視できない流れは圧縮性流れと呼ばれ，マッハ数が概ね0.3を上回る流れがそれに相当する（2）. 気体の音速は液体の音速に比べて小さいため，圧縮性流れは気体の流れに多くみられる．本節では，日本機械学会が発行する論文誌上で2020年に発表された圧縮性流れに関する研究成果を主に取り上げつつ，研究の動向を眺めたい．
流体工学における他分野と同様に，圧縮性流れの分野においても数値流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）に基づく研究成果が数多く報告されている．CFDの適用範囲は，吹き出し・吸い込みによる翼型上の流れ制御（3）や噴流による騒音遮蔽（4），衝撃波と液柱との干渉（5）などの基礎的な研究から，3段軸流ガスタービン内の流れ解析（6）などの実用的な研究にまで及んでいる．埋め込み境界法を流力騒音の直接シミュレーションに適用した事例（7）や多項式カオス展開に基づく不確定性解析（8）も興味深い話題である．このようなCFDの適用範囲の拡大は，計算機の性能向上に支えられていることはもちろんだが，数値計算法の進歩に依るところも大きい．今後ますます発展していくことが期待されるが，そのためには次世代の研究者の育成が必要であり，初学者向けの適切なテキストの存在が欠かせない．2020年には圧縮性流れの数値計算法に関する書籍が2冊出版された．藤井・立川（9）は，学生や若い企業研究者・技術者が圧縮性流れの数値計算法の基本を独習できるよう，Pythonを用いたインタラクティブな教材（サンプルコード）を採用したテキストを出版した．一方，Kitamura（10）は，衝撃波を伴う圧縮性流れに対する数値計算法（衝撃波捕獲法）に関するモノグラフをまとめた．高マッハ数流れで生じるカーバンクル現象や低マッハ数流れにおける硬直性（stiffness）に関する最近の研究成果を反映したものであり，これから当該分野の研究を始める際に有用なテキストである．
圧縮性流れにおいて最も重要な現象は衝撃波の発生であろう．衝撃波は圧縮波であり，流れが超音速から亜音速に減速する際や媒体が急激に圧縮される際に発生する．2020年には平板に衝突する不足膨張噴流内で発生する衝撃波（11）や衝撃波管と呼ばれる実験装置内における衝撃波の発生法（12），単パルス噴流による管路内での衝撃波の生成過程（13）に関する研究成果が報告されている．上述した不確定性解析（8）も管路形状のわずかな不確かさが超音速ノズル中に発生する衝撃波の位置に大きく影響することをモチーフとしたものである．
最後に，圧縮性流れに関するその他の研究例として，マイクロチャンネル熱交換器内における圧力損失予測（14）を紹介したい．これはマイクロ流路における圧力損失に及ぼす圧縮性の影響を調べたもので， 圧縮性流れの基礎式に基づいた予測方法が実験値に近い値を与えることが示されている．
〔坂村 芳孝 富山県立大学〕
参考文献
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(14)村上 信太郎, 豊田 香, 浅古 豊, マイクロチャンネル熱交換器流路系の気体流れの圧力損失予測に関する研究, 日本機械学会論文集, Vol. 86, No. 884（2020）, DOI:10.1299/transjsme.20-00022.
7.5 混相流
混相流は気体，液体，固体など2つ以上の相が混ざりあった流れであり，機械工学の分野のみならず異分野との境界領域を中心に，幅広い領域を守備範囲としている．ここでは2020年に公開された機械工学系の論文集を中心に混相流のトピックについてまとめる．日本機械学会論文集では11件，Journal of Fluid Science and Technologyでは5件の論文が発表された．ほとんどが気液系の研究であり，気泡プルームやチャンネル流などの研究のほか，液滴や液柱の界面に関するものがあった．また，燃料インジェクタ関連や冷却用噴霧を対象としたスプレー・噴霧や微粒化に関する研究も多く報告されている．
また，米国機械学会（ASME）のJournal of Fluid Engineeringにおいては24件の報告があった．さらに混相流の国際的なジャーナルであるInternational Journal of Multiphase Flowでは200件を超える論文が公表されている．国内外ともに気液系に関する研究が約8割を占めている状況である（図7-5-1参照）．
図7-5-1 混相状態に対する研究論文発表件数割合（論文数：277）
7.5.1 気液系混相流
最も多い気液系混相流に関する研究をいくつかの項目に分類すると，気泡，液滴および自由表面などの気液界面に分けられ，現象についてまとめると，噴霧・微粒化，相変化（沸騰・蒸発・キャビテーション），毛細管現象・浸透，分散や混合などに分けられる．おおざっぱで重複もあるが上記分類における論文数割合をまとめると図7-5-2のようになる．
新しい計算法やモデリングなどシミュレーション技術に関する研究が30件程度あり，積極的に研究が進められている．液滴の分裂・合体や衝突に関するもの（1）～（3），キャビテーションや沸騰など相変化に関するもの（4）～（6），界面や表面張力に関するもの（7）～（9）があり，より複雑な現象のモデル化や計算手法の開発が進んでいる．また深層学習やニューラルネットワークを用いた手法（10）～（12）なども提案されている．
また，混相状態の計測法として工夫されたセンサ群による計測（13）～（15），画像処理など（16）（17）やレーザーやX線を用いた噴霧構造や液膜の計測（18）～（20）などが報告されており，より詳細な混相流現象の把握が進んできている．
図7-5-2 気液系混相流における研究対象別論文数割合（論文数：217）
7.5.2 その他（粒子含む流れや液液および固気液混相流など）
気液以外の混相流においては，粒子を含んだ流れ（土砂流れや加速粒子衝突による）エロージョンに関する研究（21）～（23）や，土砂の輸送・分離についても報告されている（24）（25）．また，粒子を含んだ液体や非溶融液における懸濁やエマルジョンなど混合作用について研究（26）-（28）が行われていると同時のその評価法についても示されている（29）．さらには固気液三相流では相変化を伴うような気中での氷形成から溶融金属の微粒化・パウダー形成に関する研究（30）（31）が行われており，より身近な自然現象や生産などの現場での問題点に関して検討が進められている．
7.5.3 新型コロナウイルスに関連して
2020年の大きなトピックとして新型コロナウィルス（COVID-19）があげられる．ウイルスの飛散や不活化，さらにはECMOなどの呼吸補助装置においても混相流技術が重要な役割を果たしている．特に，理研などの研究においてメディアにも多く露出している飛沫のシミュレーション結果などは印象的である（32）（33）．International Journal of Multiphase Flowにおいても，空中飛散微粒子やエアロゾルなどの観点からソーシャルディスタンスのガイドラインの検討について報告されている（34）．
混相流学会の2021年の学会誌（混相流Vol.35, No.1（2021）を参照されたい）にも特集されており，今後，2020年に進められた関連研究が報告されると予測される．
〔杉本 康弘 金沢工大〕
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(24) Shiva P. Pudasaini, Jan-Thomas Fischer, A mechanical model for phase separation in debris flow, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 129, (2020), 103292, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103292.
(25) Giovanna Vittori, Paolo Blondeaux, Marco Mazzuoli, Julian Simeonov, Joseph Calantoni, Sediment transport under oscillatory flows, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 133, (2020), 103454, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103454.
(26) Changwoo Kang, Parisa Mirbod, Shear-induced particle migration of semi-dilute and concentrated Brownian suspensions in both Poiseuille and circular Couette flow, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 126, (2020), 103239, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103239
(27) Yongbin Ji, Jérôme Bellettre, Agnès Montillet, Patrizio Massoli, Fast oil-in-water emulsification in microchannel using head-on impinging configuration: Effect of swirl motion, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 131, (2020), 103402, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103402.
(28) Vahid Tavanashad, Shankar Subramaniam, Fully resolved simulation of dense suspensions of freely evolving buoyant particles using an improved immersed boundary method, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 132, (2020), 103396, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103396.
(29) Han Yu, Chao Tan, Feng Dong, Measurement of oil fraction in oil-water dispersed flow with swept-frequency ultrasound attenuation method, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 133, (2020), 103444, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103444.
(30) Yang Liu, Kai Zhang, Wei Tian, Hui Hu, An experimental study to characterize the effects of initial ice roughness on the wind-driven water runback over an airfoil surface, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 126, (2020), 103254, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103254.
(31) Maria Rita Ridolfi, Paolo Folgarait, Numerical modeling of secondary breakup in molten metals gas-atomization using dimensionless analysis, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 132, (2020), 103431, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103431.
(32)「富岳」で飛沫感染防止に貢献する，RIKEN NEWS, No.473, 2020, pp.10-12.
(33)理化学研究所ホームページ，実施している研究課題と成果，https://www.r-ccs.riken.jp/jp/fugaku/corona/projects/ (閲覧日2021年3月24日)
(34) S. Balachandar, S. Zaleski, A. Soldati, G. Ahmadi, L. Bourouiba, Host-to-host airborne transmission as a multiphase flow problem for science-based social distance guidelines, International Journal of Multiphase Flow, Vol. 132 (2020), 103439, https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2020.103439.
7.6 非ニュートン流体
ニュートン流体に粒子や液滴などが分散した流体や高分子溶融液・ゲルなど微視的構造を有する流体は変形速度に依存して粘度が変化する性質，いわゆる非ニュートン粘性を示す．これらの流体は流動特性が複雑であり，流動中に微視的・巨視的構造が変化するものも多い．非ニュートン流体，複雑流体とよばれるこれらの流体は機能性が高く様々な分野で利用されている．日本機械学会では2020年度年次大会（1）において「複雑流体の流動現象」，第98期流体工学部門講演会（2）において「非ニュートン流体の流動現象」がオーガナイズドセッションとして企画され，それぞれ17件，13件の発表があった．また，第98期流体工学部門講演会においては「流れの制御・抵抗低減」がオーガナイズドセッションとして企画され，希薄高分子溶液などで生じる乱流抗力低減効果に関係する研究を中心に14件の発表があった．2020年にはこの分野で最も大きな国際会議である18th International Congress on Rheology（ICR2020）（3）が開催され，「Non-Newtonian fluid mechanics, flow instability & shear banding」のセッションでは81件の発表が行われた．また，非ニュートン流体の流動現象に関する国際学術誌であるJournal of Non-Newtonian Fluid Mechanics（JNNFM）および日本機械学会論文集，日本レオロジー学会誌においてもこの分野の研究が多数報告されている．
2020年の非ニュートン流体に関する研究動向をまとめると，最も目立つのが粘塑性流体あるいは降伏応力流体の流動に関する研究であった．降伏応力流体はマヨネーズのように重力程度の弱い力においては形状を保持できるが所定の値以上の応力が作用すると流動する物質で，応力に依存して固体・流体変化が起こるため複雑な挙動を示す．食品から塗料まで生活に大きく関係する流体である．JNNFMでは2020年に合計13件の論文が掲載され，ICR2020でも14件の発表があった．酸化グラフェン懸濁液の粘塑性特性に及ぼす粒子表面状態の影響を実験的に求めた研究（4）や海底から採取した泥の降伏特性における凝集構造の影響（5）などが報告されている．粘塑性流体中の粒子沈降流についての数値解析（6）など新たな解析手法を提示した報告も多い．2020年はシアバンドに関する研究も多く報告されている．シアバンドは流れ場中に不連続な速度分布が形成され物性の異なる層構造が形成される現象である．ひも状ミセルのように流動により構造変化を生じる流体でよく発生する現象であり，バンド形成や流動不安定性の発現，さらに希薄な溶液における乱流抗力低減効果について多数の報告がある．ICR2020ではシアバンドに関する発表が6件，ひも状ミセルに関連する報告が6件あった．JNNFMではひも状ミセル溶液のせん断流と伸長流の両方の成分を含む広範囲の複雑な流れについての包括的なレビュー（7）や．棒状ミセル溶液の急縮小および急拡大を含む微小スリット流れにおける圧力損失と高速度偏光カメラにより可視化された流動複屈折分布の比較から流れ場内の伸長流動との関係を考察した報告（8）などが掲載された．国内では非ニュートン流体の流動特性の計測手法に関する報告が多数あった．電磁力を用いた高精度レオロジー計測技術についての包括的な論文（9）や大振幅振動せん断流動（Large Amplitude Oscillatory Shear: LAOS）における高濃度スラリーのずり粘ちょう化現象（10），定常流動状態にLAOSを重ね合わせることで流動中の粘弾性特性を明らかにする計測手法（11）についての報告があった．また磁気粘性流体を作動流体として用いた振動抑制装置（12）なども報告されている．
〔高橋 勉 長岡技術科学大学〕
参考文献
(1)日本機械学会2020年度年次大会プログラム
https://jsmempd.com/conference/jsme_annual/2020/wp-content/uploads/2020/09/IntegratedProgram_v2.2.pdf （参照日2021年4月11日）
(2)日本機械学会第98期流体工学部門講演会講演プログラム
https://www.jsme.or.jp/conference/fedconf20/download/program_final.pdf（参照日2021年4月11日）
(3)ICR2020 Book of Abstracts, 18th International Congress on Rheology, Rio De Janeiro, December 14-17, 2020.
(4)Moraesa, L.R.da C., Ribeiro, H., Cargnin,E., Andrade, R. J. E., Naccacheet, M. F., Rheology of graphene oxide suspended in yield stress fluid, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol. 286(2020), 104426.
(5)Shakeel,A., Kirichek,A., Chassagne, C., Rheological analysis of natural and diluted mud suspensions, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol.286(2020), 104434.
(6)Iglesias, J. A., Mercier, G., Chaparian, E., Frigaard, I. A., Computing the yield limit in three-dimensional flows of a yield stress fluid about a settling particle, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol.284(2020), 104374.
(7)Rothstein, J. P. and Mohammadigoushki, H., Complex flows of viscoelastic wormlike micelle solutions, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol.285(2020), 104382.
(8)Ushida, A., Sato, T., Narumi, T., Takahashi, T.,Onuma、T., Ito、M., Hasegawa、T., Flow properties of surfactant solutions of rod-like micelles passing through a small slit, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Vol.280(2020), 104296.
(9)酒井啓司, 電磁力を利用した新規高精度レオロジー計測手法の開発, 日本レオロジー学会誌, 48巻, 5号(2020), pp.223-230.
(10)石井昌彦, 中村浩, 高濃度スラリーが示すShear Thickening挙動のLAOS解析, 日本レオロジー学会誌, 48巻, 5号(2020), pp. 245-250.
(11)菜嶋健司, 流動下での粘弾性測定法について, 日本レオロジー学会誌, 48巻, 5号(2020), pp.251-257.
(12)松岡太一, 相澤隆登, 磁気粘性流体を用いた可変慣性モーメント型振動抑制装置, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.886 (2020), DOI:10.1299/transjsme.19-00405.
7.7 流体機械
11月に流体機械に関連する国際会議ISROMAC18（18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery）が開催され，流体機械を中心に多岐にわたるOSが企画され各OSで多くの講演がなされた．その中で発表件数が特に多かったOSは，Pumping machinery，Hydraulic machines and systems，Cavitation and multi-phase flowsであり，次いでLiquid rocket engines，Aero-acoustic of turbomachines，Fluid-structure interaction in turbomachines，Cavitation in turbomachines，Compressors and fans，Design and optimization of turbomachinesなどであった．ポンプ，水車，ポンプ水車，ファン，液体ロケットエンジン，容積式ポンプ，蒸気タービン，ターボチャージャー，風車など回転機械全般について講演がおこなわれており全体の概況は捉えにくいが，例えば，ポンプ（Pumping machinery）のOSでは，インデューサを有するターボポンプの吸込み側管路抵抗とキャビテーションサージとの関係（1），多段遠心ポンプのインペラの軸方向オフセット量と軸スラスト力との関係（2），オープンインペラを有する遠心ポンプのディフューザの内部流れ場の評価（3）などの報告がなされた．これらの研究も含め，全体的に実験とCFDの両方を活用した取組みが多い印象を受けた．流体機械分野の研究開発においてはEFDとCFDの双方からのアプローチが日常的になっている．研究目的は多様であり，回転機械の運転領域（条件）の拡大や信頼性の向上，あるいは性能の改善を目指し，部分流量（負荷）や過流量（負荷）あるいは脈動条件下（例えば文献（4））での複雑かつ非定常な流体機械内部の流動現象の理解，騒音発生源の特定，ロータダイナミクスなど流体と構造の連成現象（例えば文献（5））の解明と制御などに注力した研究報告などがみられた．
一方，国内会議としては，第83回ターボ機械協会総会講演会（発表件数31件），日本機械学会2020年度年次大会（OS「流体機械の研究開発におけるEFD/CFD」発表件数26件），第84回ターボ機械協会長崎講演会（発表件数26件），日本機械学会第98期流体工学部門講演会（OS「流体機械の研究開発と複雑流動現象」発表件数16件）などで研究報告がなされている．
論文関係では，日本機械学会論文集には，流雪溝に設置する周流水車の性能評価（6），サボニウス水車の流れ場の数値解析（7），ラビリンスシールとポンプ性能の関係（8），翼・インペラのモーダルパラメータの同定（9），すべり軸受ロータ系の安定限界の簡易予測（10），ガスタービン吸気冷却用噴霧と冷却性能との関係（11），回転翼の騒音低減手法と低減指標の提案（12）の研究報告がある．また，International Journal of Fluid Machinery and Systems（IJFMS）には，遠心ポンプについての研究報告として，インペラの軸方向へのオフセット量と軸スラスト力との関係（13），インペラフロントカバーに穴を設けることでキャビテーション性能を改善する方法（14），インペラ‐ケーシング舌部隙間流れと内部流れとの干渉の評価（15）がある．また，フランシス水車の土砂摩耗および二次流れの評価（16），軸流圧縮機のサージ減衰域に関する検討（17），軸流ファンの騒音モデルの提案と実験による検証（18），脈動流におけるターボチャージャーの性能予測のための一次元流れ解析モデルの提案（19），スプリッタブレードを有するインデューサの吸込性能の評価（20），軸流ポンプの吐出しエルボ形状とポンプ性能曲線の鞍点領域との関係の評価（21），高落差への適用を目的とした二重反転型小型水車の研究（22）がなされている．
キャビテーション，土砂摩耗などの混相流問題，振動や騒音，ロータダイナミクスなどの流体-構造連成問題，さらに過渡現象や脈動をともなう現象など流体機械の研究対象は複雑である．大規模な数値計算による取組みも増えており，今後の研究の進展が期待される．
〔飯尾 昭一郎 信州大学〕
参考文献
(1)Y. Tanaka, T. Kitabata, K. Nasu, S. Watanabe, S. Ohashi, and A. Sakata, Effect of suction pipeline resistance on cavitation surge in a turbopump with inducer, Proceedings of the 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC 18) (2020), Paper No. ISROMAC2019-00200.
(2)T. Takamine, S. Nakano, S. Watanabe and H. Watanabe, Effect of axial offset of rotor on thrust characteristics of a centrifugal pump, Proceedings of the 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC 18) (2020), Paper No. ISROMAC2019-00180.
(3)D. Sugiyama, A. Ichinose, T. Takeda, K. Miyagawa, H. Negishi and A. Tsunoda, Investigation of internal flow in centrifugal pump diffuser using laser doppler velocimetry (LDV) and computational fluid dynamics, Proceedings of the 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC 18) (2020), Paper No. ISROMAC2019-00208.
(4)Y. Asanaka, K. Kobayashi, M. Sakakibara, Y. Itagaki, Y. Nakamura and K. Miyagawa, Effect of pulsating flow on surge frequency of a turbocharger compressor, Proceedings of the 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC 18) (2020), Paper No. ISROMAC2019-00179.
(5)F. Bertelli, A. Pasini and R. Bottai, Influence of fluid-induced forces on cavitating turbopumps rotordynamics in forced whirl experiment, Proceedings of the 18th International Symposium on Transport Phenomena and Dynamics of Rotating Machinery (ISROMAC 18) (2020), Paper No. ISROMAC2019-00157.
(6)菊池孝高, 木綿隆弘, 河野孝昭, 流雪溝における流し掛け水車の性能に関するフィールド実験と数値流体解析, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.887 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.20-00132.
(7)高牟礼光太郎, 谷強, 出川智啓, 内山知実, 飯尾昭一郎, 池田敏彦, 遮へい板が設置されたサボニウス水車の流れと性能の数値シミュレーション, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.887 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.20-00181.
(8)兼森祐治, 半田康雄, ポンプ性能に及ぼす半径流ラビリンスシールの影響, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.887 (2020), DOI; 10.1299/transjsme.19-00408.
(9)金子康智, 森一石, 古川達也, ターボ機械の翼・インペラのモーダルパラメータ同定に関する研究, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.886 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.19-00404.
(10)関口泰久, 松田隆太郎, 大上雅弘, 松下修己, すべり軸受ロータ系の安定限界の簡易予測, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.885 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.18-00460.
(11)髙附飛鳥, 杉田勝彦, 宗意奎太郎, 宮岡尚広, 大森修一, 梅沢修一, 川島久宜, 石間経章, ガスタービン吸気冷却用噴霧の噴霧特性と冷却性能の関係, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.884 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.19-00030.
(12)後藤達彦, 江波戸明彦, 回転翼から生じる同位相円周上分布音源に対する騒音低減手法および低減指標の提案, 日本機械学会論文集, Vol.86, No.883 (2020), DOI: 10.1299/transjsme.2020transjsmeE01.
(13)T. Takamine, S. Nakano, S. Watanabe and H. Watanabe, Influence of axial rotor offset on residual axial thrust characteristics of a centrifugal pump at low flow rates，International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.655.
(14)W. Dongwei, L. Zailun and H. Wei, Study on improving cavitation performance of centrifugal pump by perforation at the front cover plate，International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.668.
(15)R. Ma and T. Ma, A model of coupled flow in impeller and volute of a single stage centrifugal pump with interaction of impeller-tongue gap flow，International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.683.
(16)S. Aryal, S. Chitrakar, R. Shrestha and A. K. Jha, A case study of wear in a high head Francis turbine due to suspended sediment and secondary flow in a hydropower plant of Nepal，International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.692.
(17)N. Yamaguchi, A numerical study on surge degeneration (stall stagnation) and recovery therefrom in axial flow compressors, International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.718.
(18)C. Lee and H. G. Kil, A through-flow analysis method of axial fan with BPF and broadband noise models, International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.737.
(19)Y. Nakamura, M. Chinen, M. Sakakibara, Y. Abe and K. Miyagawa, Prediction of a turbocharger performance under pulsating flow by construction of an unsteady one-dimensional flow analysis model，International Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.743.
(20)Y. Tanaka, S. Watanabe, S. Ohashi and Y. Matsunaga, Numerical investigation of suction performance of inducer with splitter blade，Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.750.
(21)X. Wu, H. Ye, M. Tan and H. Liu, Effect of discharge elbow on performance of the axial flow pump in saddle zone，Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.775.
(22)T. Hosotani, T. Shigemitsu, Y. Kawaguchi, T. Inamoto, T. Ishiguro and D. Nan, Influence of number of blades on performance and internal flow of high head contra-rotating small hydroturbine，Journal of Fluid Machinery and Systems, Vol.13, No.4 (2020), https://doi.org/10.5293/IJFMS.2020.13.4.786.
7.8 流体騒音
7.8.1 概況
流体騒音の研究は実験流体力学（EFD），数値流体力学（CFD）の双方の技術を用いて着実に進歩を遂げてきた．低騒音風洞の開発（1）や圧力計測技術の高度化（2）（3），Large Eddy Simulation（LES）やDirect Numerical Simulation（DNS）による流体音解析技術（4）（5）の研究をはじめ，これまで数多くの研究が行われてきた．また，低騒音風洞などの実験・計測設備の普及拡大や市販・商用流体解析ソフトウェアへの流体音の解析・評価機能の付加なども年々進み，流体工学に関わる多くの研究者・技術者が流体騒音に関する課題の解決に取り組みやすい環境が整備されてきた．このため，昨今ではこれらの技術を利用・応用した流体騒音の研究などが幅広く行われている．また，新たな流体騒音の低減・制御技術の研究も試みられている．以下，2020年の国内・国外の流体騒音研究の状況を示す．
7.8.2 国内の状況
2020年に開催された日本機械学会年次大会，日本機械学会流体工学部門講演会では流体関連の騒音と振動に関する講演セッションが設けられた．発表内容は多岐に渡り，テーパ円柱の表面圧力変動と後流について調べた研究（6），プラズマアクチュエータによるキャビティ音の制御に関する研究（7），風車のアーム形状と流体騒音の関係について調べた研究（8），鉄道の台車部で発生する流体騒音に関する研究（9）など，多くの発表と活発な議論が行われた．また，残念ながら講演発表は中止となったが，環境工学総合シンポジウムでも流体騒音に関する研究発表は複数あり，音響透過壁を活用したシロッコファンから発生する流体騒音の解析・評価手法の提案（10），パンタグラフから発生する流体騒音低減手法（11），粒子法を用いた流体音シミュレーション（12）に関する講演論文などが発表された．
日本機械学会が発刊する日本機械学会論文集，Mechanical Engineering Journalの誌上でも流体騒音に関する学術論文が複数発表された．円柱に設けた円筒リングのピッチと発生する流体音の関係を実験で調べた研究（13）やマイクロホンアレイを用いた空力音の音源探査手法の提案した研究（14），孔を設けた円柱や遮音板を設けたパンタグラフ模型を用いて流体騒音に関する相似則について調べた研究（15）の成果が発表された．いずれもEFDの技術を活用した流体騒音に関する研究であり，スーパーコンピュータ「富岳」（16）の運用開始によりCFD技術が特に注目されている昨今でも，EFD技術による研究も広く行われていることを示している．
7.8.3 国外の状況
2020年に開催された国際会議でも流体騒音に関する研究が数多く発表された．Inter-noise 2020では音響メタマテリアルにより騒音低減を試みる研究（17）や水中の移動体から発生する騒音に関する研究（18），HVAC騒音の低減を目的に，ブロワのファン形状の最適化システムを格子ボルツマン法をベースとしたCFDにより構築する研究（19）など，様々な分野の研究成果が発表された．また，アメリカ機械学会に関する講演会では，RBVMSを用いた数値シミュレーションによる軸流ファンの低騒音化と効率向上に向けた研究（20）や家電機器での利用が広まっているブレードレスファンから発生する騒音の音源と指向性についてCFDとComputational aeroacoustics（CAA）により調べた研究（21）の発表などが行われた．
国外の学術論文誌上でも流体騒音や流体音に関する研究成果の発表が複数行われた．Journal of Fluid Mechanicsでは円柱の後流中の10枚の回転翼から発生する流体騒音についてLESとFfowcs Williams–Hawkings（FW-H）equationを用いて調べた研究（22），物体表面の気孔率の制御による乱流干渉音の低減を試みた研究（23），オープンセル構造の多孔質材料を利用した翼後縁で発生する騒音の低減メカニズムについて調べた研究（24）の成果などが発表された．Physics of Fluidsではキャビティ底面への多孔質材設置によるキャビティ音制御の研究（25），Leapfrogging渦による渦音の指向性に関する研究（26），軸対称シャローキャビティから発生する共鳴音に関する研究（27），乱流境界層への傾斜一様流の吹き出しによる翼後縁で発生する騒音の低減に関する研究（28）の成果などが発表された．また，フラクタル形状の板を用いることで流体騒音が低減できる可能性を示唆するシミュレーション結果が発表された（29）．Journal of Sound and Vibrationでは流体中のステップ部の角部形状が発生騒音に及ぼす影響を調べた研究（30），多孔質材料を適用した翼前縁部の乱流特性と発生騒音の関係を調べた研究（31），翼前縁で発生する騒音の低減メカニズムについて調べた研究（32）などの成果が発表された．また，計測技術関連では音源探査用のMEMSマイクロホンアレイに関する研究成果（33）が発表された．
7.8.4 まとめ
2020年も国内，国外ともに流体騒音に関する研究はEFD, CFDの双方の技術を用いて活発に行われており，その成果が国際会議や学術論文誌上などで発表された．国内では特定の分野への研究の集中は見られなかった一方，国外では流体関連機械で発生する流体騒音の低減，および，多孔質材やバイオミメティクスを活用した流体騒音の低減技術に関する発表が比較的多い傾向にあった．
〔寺島 修 富山県立大学〕
参考文献
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(8)都筑渉，安田進之介，中尾晴人，河野孝昭，木綿隆弘，小松信義，H形ダリウス風車のアーム断面形状が出力特性及び空力騒音特性に与える影響，日本機械学会2020年度年次大会 講演論文集(2020)，DOI: 10.1299/jsmemecj.2020.J10210．
(9)澤村陽一，宇田東樹，北川敏樹，横山博史，飯田明由，高速走行する鉄道の台車部空力音および台車キャビティ部内の流速測定，日本機械学会 第98期流体工学部門講演会 講演論文集 (2020)，DOI: 10.1299/jsmefed.2020.OS13-06．
(10)東野光洋，栗林景介，藤園崇，奥村哲也，林秀千人，濱川洋充，音響透過壁を用いたシロッコファンの騒音解析，第30回環境工学総合シンポジウム講演論文集 (2020)，p.118．
(11)光用剛，臼田隆之，平川裕雅，磯野達志，長尾恭平，若林雄介，パンタグラフ舟体・舟支え部の空力音低減手法の実用化に向けた検討，第30回環境工学総合シンポジウム講演論文集 (2020)，p.106, DOI; 10.1299/jsmeenv.2020.30.118．
(12)北村敏也，此下啓介，大島典雄，粒子法による流体音シミュレーションの試み，第30回環境工学総合シンポジウム講演論文集 (2020)，p.124 DOI: 10.1299/jsmeenv.2020.30.124．
(13)佐野秀隼，山田俊輔，船見祐揮，中村元，円筒リングを設置した円柱からの空力騒音低減に関する研究，日本機械学会論文集，Vol.86, No.889 (2020), p.20-00081, DOI: 10.1299/transjsme.20-00081.
(14)宇田東樹, 北川敏樹，鉄道車両の台車部空力音に関する音源探査手法および低騒音対策の検討，日本機械学会論文集，Vol.86, No.888 (2020), p.20-00025, DOI: 10.1299/transjsme.20-00025.
(15)Matsui, A., Watanabe, T. and Abe, Y., Aerodynamic noise evaluation for Aeolian tone and acoustical insulating plate by similarity law, Mechanical Engineering Journal, Vol.7, No.6 (2020), p.20-00183, DOI: 10.1299/mej.20-00183.
(16)加藤千幸，「富岳」を活用したものづくり(次世代ものづくり)，日本機械学会流体工学部門講演会 講演論文集 (2019)，p.IS-K01, DOI: 10.1299/jsmefed.2019.IS-K01.
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(18)Miao, T., Research on Flow Noise of Underwater Vehicle, INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, Vol.261, No.4 (2020), pp.2178-2184.
(19)Kim, M., Mann, A., Lee, C. and Sugiyama, Z., Minimizing Automotive HVAC Blower Fan Noise using a Lattice Boltzmann based Method and Leveraging a Cloud-based Automated Optimization Workflow, INTER-NOISE and NOISE-CON Congress and Conference Proceedings, Vol.261, No.4 (2020), pp.2317-2327.
(20)Barnabei, V.F., Castorrini, A., Corsini, A., Spuy, J.V. and Rispoli, F., Unsteady Flow Simulation of an Axial Fan for Dry Cooling in a CSP Plant Using the Variational Multiscale Method, ASME Turbo Expo 2020: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (2020), p. GT2020-16057, V001T10A014.
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(22)Wang, J., Wang, K. and Wang, M., Computational prediction and analysis of rotor noise generation in a turbulent wake, Journal of Fluid Mechanics, Vol.908 (2020), p.A19.
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(26)Feng, F., Meng, X., Guo, L. and Wang, Q., Directivity of acoustic field generated by leapfrogging vortices, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), p.126106.
(27)Abdelmwgoud, M., Shaaban, M. and Mohany, A., Flow dynamics and azimuthal behavior of the self-excited acoustic modes in axisymmetric shallow cavities, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), p.115109.
(28)Szőke, M., Fiscaletti, D. and Azarpeyvand, M., Uniform flow injection into a turbulent boundary layer for trailing edge noise reduction, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), p.085104.
(29)Sahli, O.E., Sescu, A., Afsar, M.Z. and Buxton, O.R.H., Investigation of wakes generated by fractal plates in the compressible flow regime using large-eddy simulations, Physics of Fluids, Vol.32 (2020), p.105106.
(30)Awasthi, M., Devenport, W.J. and Glegg, S.A.L., Sound radiated by turbulent flow over unrounded and rounded forward-facing steps, Journal of Sound and Vibration, Vol.488 (2020), p.115635.
(31)Zamponi, R., Satcunanathan, S., Moreau, S., Ragni, D., Meinke, M., Schröder, W. and Schram, C., On the role of turbulence distortion on leading-edge noise reduction by means of porosity, Journal of Sound and Vibration, Vol.485 (2020), p.115561.
(32)Chaitanya, P., Joseph, P., Chong, T.P., Priddin, M. and Ayton, L., On the noise reduction mechanisms of porous aerofoil leading edges, Journal of Sound and Vibration, Vol.485 (2020), p.115574.
(33)Zhou, Y., Valeau, V., Marchal, J., Ollivier, F. and Marchiano, R., Three-dimensional identification of flow-induced noise sources with a tunnel-shaped array of MEMS microphones, Journal of Sound and Vibration, Vol.482 (2020), p.115459.
7.9 生体・生物
2020年はいわゆるコロナ禍というパンデミックの発生に対して，飛沫の拡散防止や換気といった衛生面に注目が高まり，流体工学的視点から解明しようとした試みが多く見られた．折しも「京」の後継機である国産スーパーコンピュータ「富岳」が運用を開始したばかりということもあり，咳をした時の飛沫の飛散状況（1）や，マスク着用時の効果（2）等，「富岳」の性能を活かした高度な数値シミュレーションが数多く実施された．非専門家にもわかりやすく結果を提示したことで，マスメディアにも数頻繁に取り上げられ，感染拡大防止に大きく貢献するとともに，流体工学の重要性や「富岳」の性能を世間一般に認知させることとなった．また流体現象の可視化用機器や流体解析ソフトウェアを取り扱うベンダー企業各社からも，自社で取り扱っている機器やソフトウェアを駆使して，日常の様々な局面で飛沫を可視化した結果（3）～（6）が数多く公開された．一方でコロナ禍に直接関連する流体力学的な研究は，情報の早期公開と公共性を重視しているためか，学術論文として発表されたものは案外少なく，マスクの効果を飛沫の可視化実験により実証したもの（7）の他には見つけられなかった．
その他の医工学関連のテーマとしては，Azarnooshら（8）による授乳中の乳房の流体－構造連成シミュレーションが報告されている．臨床データから乳児の口腔内圧，下や顎の動き等を模擬した結果，母乳の排出は乳児の吸啜による負圧だけでなく乳首を変形させることで実現していることが示された．またMoriwakiら（9）は，頭蓋内動脈瘤を想定した生体外模擬実験においてPIV計測を行い，多孔カバードステント留置による瘤内の流れの変化を調べた．様々な形状の瘤モデルに対して測定した結果から，血栓形成の指標であるAMSRは，ネック幅が大きく，動脈瘤の高さが低く，ドームサイズが小さいモデルで高くなることを示した．またNebogatikovら（10）は，機械的な人工三尖弁であるTricardixとMAHVの3Dモデルを用いた数値シミュレーションにより，使用時の血流動態を比較した．その結果，MAHVはTricardixよりも健全な大動脈弁の特性に近いことが示された．2020年はこの他にも，特に循環器系に関わるテーマが多く見受けられたが，実験，数値シミュレーション問わず，多岐にわたる報告があり，医工学分野の需要の高さがうかがえる．
バイオミメティクス（生物模倣）に関する話題としては，昆虫型羽ばたき翼の最適化に関する論文が幾つか見受けられた．Xiaoら（11）によって，マルハナバチを参考にした羽ばたき飛翔体について，火星大気環境下での飛行を想定した最適化が検討された．火星大気は動粘度が地球の空気より高いため低レイノルズ数の領域であり，昆虫型羽ばたき翼の有効性が期待できる．Xiaoらは羽ばたき飛行用のシミュレーターを使ったCFDにより電力効率の良い翼モデルを探索し，マルハナバチの翅の形状と動きを基にした場合に火星でのホバリングが維持できる最適解があることを示した．またLiら（12）は，匂いを辿って飛行するミバエの生態を考慮して，CFDにより羽ばたき飛行時の臭気の塊（odor plumes）の質量流束を調査した．その結果，羽ばたき動作により触覚付近で臭気の質量流束が増加することが分かった．また翼の後縁部分を取り除いて同様の検討をしたところ，揚力が向上する一方で，誘導される臭気の質量流束が大幅に減少することがわかった．これらのことから，昆虫の翅が必ずしも空力性能に特化した最適化がされているとは限らないことが示唆された．その他，羽ばたき飛行メカニズムの開発について，カナブンを参考にしたもの（13）やスズメガを参考にしたもの（14）等が報告されている．また，ハナムグリの旋回飛行時の翅の弾性変形に着目した観測結果（15）等も報告されており，昆虫型羽ばたき翼への学術的興味は未だ衰えておらず，今後も更なる発展が期待される．
〔加瀬 篤志 富山大学〕
参考文献
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(12) Chengyu Li, Haibo Dong, Kai Zhao, Dual functions of insect wings in an odor-guided aeronautic navigation, Journal of Fluids Engineering (2020), Vol.142, No.3, FE-19-1805
(13) Kenneth Moses, Mark Willis, Roger Quinn, Biomimicry of the Hawk Moth, Manduca sexta (L.), Produces an Improved Flapping-Wing Mechanism, Biomimetics (2020), Vol.5, No.2, 25.
(14) Wojciech Sochacki1, Dawid Cekus, The new concept of power transmission to the entomopter wings, Journal of Micro-Bio Robotics (2020), Vol.16, pp.225-235.
(15) Yonatan Meresman, Gal Ribak, Elastic wing deformations mitigate flapping asymmetry during manoeuvres in rose chafers (Protaetia cuprea), Journal of Experimental Biology (2020), Vol.223, jeb225599.
7.10 自然エネルギー
本節では，流体工学における自然エネルギー利用で，特に風力発電と流力振動発電に関連する研究について2020年の動向を述べる．
7.10.1 風力発電
本項では，風力発電について，導入状況，国内講演会で発表された研究，主要査読付き論文誌に掲載された研究を概観する．
2020年末時点における世界の再生可能エネルギー導入量は，約2.8 TW（前年から約260 GW増）であり，そのうち，水力が約1.3 TW（前年から約20 GW増），風力が約733 GW（前年から約111 GW増），太陽光が約713 GW（前年から約127 GW増）を占める（1）．日本における2020年末時点での風力発電導入量は，累積で約4.44 GW（前年から約516 MW増）であり，そのうち洋上風力発電は58.6 MWである（2）．2020年12月，日本政府の「洋上風力の産業競争力強化に向けた官民協議会」は，洋上風力発電の導入量について，2030年に累計10 GW，2040年に累計30 GW ～ 40 GWを目標とするビジョンを発表しており（3），今後，日本における洋上風力発電の導入量が急激に増加していくものと考えられる．
国内講演会の中で，風力発電分野の流体工学に関連した研究発表は，「第42回風力エネルギー利用シンポジウム（発表件数：約50件）」が最も多かったが，「日本機械学会2020年度年次大会（発表件数：7件）」，「日本機械学会第98期流体工学部門講演会（発表件数：12件）」，「日本流体力学会年会2020（発表件数：6件）」，「第34回数値流体力学シンポジウム（発表件数：2件）」，「第26回風工学シンポジウム（発表件数：7件）」でも行われた．大形風車については，大気安定度まで考慮した風車後流特性や風下側風車への影響のCFD解析および実測，洋上および陸上ウィンドファームの風況や出力への地形の影響のCFD解析，ライダーを利用した風況計測やWRFによる大気安定度予測の精度，浮体式洋上風車の作用力のCFD解析や制御手法，スピナ搭載型圧力センサによる流入風計測，風車ブレードの着氷形状のCFD解析，等の発表があった．小形風車については，水平軸風車は，マルチロータシステムの風レンズ風車配置や空力弾性解析，遺伝的アルゴリズムとCFD解析によるディフューザ形状の最適化，等の発表があり，垂直軸風車は，揚力型直線翼風車の後流特性やピッチ角制御手法，複数配置，トリッピングワイヤによる性能改善，セレーションによる空力騒音低減，弾性翼による高性能化，等のCFD解析および風洞実験，揚力型直線翼風車と抗力型クロスフロー風車のハイブリッド風車の出力性能試験，S字翼を有する抗力型オルソプタ風車の性能のCFD解析，抗力型ウグリンスキー風車のCFD解析，等の発表があった．その他の風力発電方式については，ウィンドソーラータワー性能の風洞・屋外試験，直線翼垂直軸風車による空中発電実験，縦渦により駆動される水平軸型円柱翼風車の風洞実験，等の発表がなされた．
主要査読付き論文誌に掲載された風力発電分野の流体工学関連の論文数は膨大であるため，大形風車，小形水平軸風車，小形垂直軸風車，新方式風車について，一部をピックアップする．大形風車については，風車後流特特性の実測（4）（5）やCFD解析（6）（7），風車後流と風下側風車の干渉の実測（8）やCFD解析（9），陸上ウィンドファームの風況の地形影響の実測（10）（11），ウィンドファームのレイアウトのCFD解析（12），浮体式洋上風車の空力荷重や動的挙動の実験およびCFD解析（13）（14），回転中の翼面上流れ特性の計測（15）（16），ガストやタワー等の翼への影響のFSI解析（17）（18），等の内容の論文が発行された．小形水平軸風車については，ディフューザ付き風車の形状のCFD解析による検討（19）（20）やヨー角影響のCFD解析（21）および実測（22），プラズマアクチュエータによる翼周りの流れの制御に関するCFD解析（23），ディンプル（24）や空気孔（25）による翼性能の向上に関するCFD解析，等の内容の論文が発行された．小形垂直軸風車については，直線翼ダリウス風車の性能に対する乱流強度の影響（26）や翼型形状の影響（27）および形状変形する翼の影響（28），φ型ダリウス風車の形状の最適化（29），スパン方向に翼形状を変化させたダリウス風車のCFD解析（30），ダリウス-サボニウス風車の性能及び流れ場特性の計測（31），サボニウス風車の性能に対する新しい形状（32）（33）や風向偏向板の影響（34），オルソプタ風車の性能に対するせん断流の影響（35），複数の直線翼ダリウス風車の最適配置のCFD解析（36），建築物屋上の風条件の風洞実験（37）やCFD解析（38），等の内容の論文が発行された．新方式風車については，水平軸型空中発電風車について，流入風条件の影響（39）や翼型形状シェルの形状最適化（40）のCFD解析，等の内容の論文が発行された．
7.10.2 流力振動発電
照明光，排熱，機械振動等の今までは利用してこなかったエネルギーを電力に変換する技術を環境発電（Energy harvesting）と呼ぶ．本項では，環境発電の特に流れによって引き起こされる流力振動からエネルギーを取り出す技術に関連した論文について示す．振動体として円柱を採用したものに，スプリッター板付き円柱の流力振動（41），板バネ上をスライドして振動数が変化する円柱の渦励振（42），水面近くの円柱の渦励振による発電（43）がある．角柱に関して，上流に置かれた平板後流を利用した正方形柱の流力振動発電（44），タンデム配置による影響（45），三角柱のアスペクト比（厚み）の影響（46），扁平な矩形柱の流力振動発電（47），円柱と正方形柱を組み合わせた柱状物体の流力振動発電（47）を調べている．また，円弧翼に発生する流力振動（48），サボニウス風車の回転力で振動を発生させるタイプ（49），波による屈曲板の変形による発電（50）もある．発電方法として，圧電素子（42）（44）（45）（50）や磁歪材料（47）に振動を与えるタイプと，振動を回転に変えるタイプ（43）（46）（51）がある．いずれも流れからエネルギーを如何にして効率的に抽出するかを研究している．なお，2020年5月にフラッターとその利用に関する国際会議（2nd International Symposium on Flutter and its Application）がフランス・パリで開催予定であったが新型コロナのため講演会は中止になり，Proceedingsのみの発行となった（52）．
〔河野 孝昭・木綿 隆弘 金沢大学〕
参考文献
(1)International Renewable Energy Agency (IRENA), Renewable Capacity Statics 2021, March 2021, ISBN: 978-92-9260-342-7.
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(3)経済産業省, 第2回洋上風力の産業競争力強化に向けた官民協議会「資料2-1 洋上風力産業ビジョン（第1次）概要」, https://www.meti.go.jp/shingikai/energy_environment/yojo_furyoku/002.html（参照日2021年5月6日）
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(52)第2回フラッターとその利用に関する国際会議, https://www.ladhyx.polytechnique.fr/isfa2020/index.html（参照日2021年4月28日）
7.11 流れの可視化・計測
本節では，流れの可視化・計測に関する研究の概況を述べる．速度場の定量計測法であるPIV（Particle image velocimetry）やPTV（Particle tracking velocimetry）は，計測法のさらなる高度化や高精度化が進められるとともに，様々な流れ場へ計測法が適用されている．例えば，遷移レイノルズ数領域における多数の円柱群周りの流れ場のトモグラフィックPIVによる3次元・3成分の計測（1）が行われている．さらに時系列の3次元速度場計測データを用いた翼表面の圧力変動場の推定（2）が報告されている．PIV計測の不確かさに関する研究としては，複数の時間間隔計測を用いたピークロッキングの補正法（3）や屈折率マッチングを用いたPIVにおける誤差解析に基づく画像処理やデータ補正法（4）が提案されている．大量に得られるPIVデータから現象の特徴を抽出するため，POD（Proper orthogonal decomposition）を用いて2重ロータ後流の位相平均場を評価した例（5）やPOD解析と多重解像度解析を組み合わせて流れ場の空間的・時間的な構造のモードを評価した例（6） が報告されている．PIV計測による圧力場や流体力の評価は現象理解のための有用な方法として用いられるようになってきたが，計測のさらなる高精度化のために異なる定式化を用いた流体力推定法の比較（7）や圧力解析における誤差の伝搬（8）に関する数値実験が行われている．また，PIV計測の様々な流れ場への応用研究として，壁面に衝突する液滴内部流れの速度場計測（9），自然環境などの大規模なフィールド計測へ適用するための複数カメラを用いた大規模PIV計測（10），内視鏡を用いたエンジン内部流れの可視化計測（11）などが報告されている．さらに，より簡便な構成のPIV計測システムの開発として，シングルフレームでの多重露光の流跡パターンを用いた速度場計測（12）や分光スペクトルによる色情報を用いることで単視点での3次元速度場計測（13）を行う方法が提案されている．
燃焼火炎の可視化や熱流体における温度・濃度分布の計測では，LIF（Laser induced fluorescence）による可視化計測が用いられるが，従来の反射鏡を機械的に回転振動させる方法に代わって，音響光学偏光器を用いることで高速なレーザースキャニングによる火炎乱流場の3次元計測 （14） が実現されている．また，ステレオ撮影を用いたLIFによる液体の自由表面の3次元計測システムに関する研究（15） が行われている．
衝撃波を伴う流れや燃焼場のような密度変化が大きい流れ場では，シュリーレン法を用いた可視化が用いられ，BOS（Background oriented schlieren）を用いた密度変動場の定量可視化が報告されている（16）（17）．また，単凹面鏡型のシュリーレンシステムを用いたレインボーシュリーレンにより従来の方法よりも密度勾配の計測精度が向上するという報告 （18） がされている．
スモークワイヤ法や油膜法は古くから用いられる流れの可視化法であるが，回転する円錐周りの流れの境界層遷移の観察 （19） にスモークワイヤ法が用いられている．また，従来の油膜法とは異なり，発光塗料を含んだ油膜を用いることにより，非定常の表面摩擦を計測する方法（20） が報告されている．
〔山縣 貴幸 新潟大学〕
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