LESによる高レイノルズ数壁乱流の大規模乱流構造の解析と温度成層の影響

• Project/Area Number: 14750110
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: The University of Electro-Communications (2003-2004); Tokyo Institute of Technology (2002)
• Principal Investigator: 坪倉 誠 電気通信大学, 電気通信学部, 助教授 (40313366)
• Project Period (FY): 2002 – 2004
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2004)
• Budget Amount: ¥3,800,000 (Direct Cost: ¥3,800,000); Fiscal Year 2004: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2003: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2002: ¥1,600,000 (Direct Cost: ¥1,600,000)
• Keywords: 壁乱流 / 大規模乱流構造 / LES / 円管内乱流 / 平板チャネル流 / レイノルズ数スケーリング / チャネル流 / 成層性乱流 / スケーリング

Research Abstract

本研究は大きく次の三つの課題に分けられる。
(1)中立成層状態の平板チャネル乱流の大規模乱流構造と、壁面極近傍の乱流微細渦構造との関係の解明。
(2)中立成層状態の様々な壁乱流における大規模構造の普遍性と圧力勾配や境界形状の影響の解明。
(3)平板チャネル乱流の大規模構造に対する温度成層性の影響の解明。
この内、(1)(3)についてはそれぞれ一昨年、昨年度実施した。本年度は研究最終年度として(2)の課題について、今まで行ってきた平板チャネル流に加えて円管内乱流のLES解析を行い、その大規模構造の差異について検討を行った。離散化手法には最近開発された、円筒座標系完全保存型高精度差分法を適用した。研究はまず第一ステップとして、
1.円管内乱流LESにおける流れ場の、格子解像度、差分離散精度、SGSモデルに対する依存性の検討を行った。結果、特に離散精度に対する依存性が大きく、二次精度ではSGSモデルの影響と差分誤差がほぼ同程度に解に作用し、SGSモデルに期待した効果が得られないことが判った。従って、円管内LESでは四次精度差分を適用することとした。得られた成果は、北京で行われた第6回計算力学世界会議(WCCM)において発表した。次に
2.管長が直径の約12倍に匹敵する大規模円管内乱流LESを行い(Reτ=1180)、流れ場を可視化すると共に、得られた統計量、特に主流方向速度スペクトルについて、既に得られている平板チャネル流の解析結果と比較することで、境界形状がもたらす影響について調べた。結果、壁面極近傍のバッファ域で両者の差はほとんど見られないが、対数則域において現れる大規模構造は、円管流の場合、対数則域から外層にかけて、周方向にお互い相互干渉を起こし、その主流方向サイズがチャネル流と比較して小さくなることが判った。得られた成果は速報として、米国物理学会流体力学部門講演会(シアトル)にて発表を行った。

Research Products

• [Journal Article] LES study on the large-scale motions of wall turbulence and their structural difference between plane channel and pipe flows (2005)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: 4th international symposium on turbulence and shear flow phenomena 発表予定
• [Journal Article] Effects of finite difference errors on the accuracy of subgrid-scale models for large eddy simulation (2004)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Shigeaki Kuroda
  • Journal Title: Proc.of the 6^<th> world congress on computational mechanics.(II) (CD-ROM)
• [Journal Article] Reproduction of the large-scale structures of wall turbulence in LES : Comparison of plane channel and pipe flows (2004)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Program of the 57^<th> annual meeting of the division of fluid dynamics, American physical society vol.49, no.9 Pages: 126-126
• [Journal Article] 壁乱流の大規模構造について (2004)
  • Author(s): 坪倉 誠
  • Journal Title: 日本流体力学会2004講演論文集 Pages: 628-628
• [Journal Article] Subgrid-scale heat-flux modeling and its assessment on the thermally stratified turbulent channel flow (2003)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Program of the 56^<th> annual meeting of the division of fluid dynamics, American physical society vol.48, no.10 Pages: 126-126
• [Journal Article] The large-scale motions in neutral and stably stratified wall-turbulence (2003)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura
  • Journal Title: Proc.of the third international symposium on turbulence and shear flow phenomena (edts : N.Kasagi et al.) vol.II Pages: 693-693
• [Journal Article] LES analysis on dispersion in surface layer over randomly arranged roughness blocks (2003)
  • Author(s): Tetsuro Tamura, Shuyang Cao, Makoto Tsubokura, Yudai Tateyama
  • Journal Title: Proc.of the third international symposium on turbulence and shear flow phenomena(edts : N.Kasagi et al.) vol.I Pages: 353-353
  • NAID: 80015965458
• [Journal Article] ラフネスブロック上に発達する安定・不安定温度成層乱流境界層に関する実験的研究 (2003)
  • Author(s): 曹曙陽, 田村哲郎, 坪倉誠, 海老澤明寛
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2003講演論文集 Pages: 144-144
• [Journal Article] 空間発達する温度成層境界層の乱流構造に関するLES解析 (2003)
  • Author(s): 古澤卓士, 田村哲郎, 曹曙陽, 坪倉誠
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2003講演論文集 Pages: 142-142
• [Journal Article] Subgrid Scale Modeling of Turbulence for the Dynamic Procedure Using FDM and its Assessment on the Thermally Stratified Turbulent Channel Flow (2003)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Proc.of the 4^<th> ASME・JSME Joint Fluids Engineering Conference FEDSM2003 (CD-ROM) Pages: 45352-45352
• [Journal Article] 十分発達したチャネル乱流における大規模流れ構造について (2003)
  • Author(s): 坪倉誠, 田村哲郎
  • Journal Title: 日本機械学会論文集(B編) 69・680 Pages: 833-833
  • NAID: 110002387987
• [Journal Article] Scaling of the large-scale motions in fully developed turbulent channel flow (2003)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura
  • Journal Title: Reynolds number scaling in turbulent flow (eds. : A.J.Smits et al.)(Kluwer) Pages: 123-123
• [Journal Article] LES study on the very large-scale structures of wall-bounded turbulence and an effect of thermal stratification (2002)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura
  • Journal Title: Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence(eds.:Y.Kaneda, T.Gotoh)(Springer) Pages: 159-159
• [Journal Article] Effect of thermal stratification on the large-scale structures of turbulent channel flow (2002)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura
  • Journal Title: Program of the 55th annual meeting of the division of fluid dynamics, American physical society 47・10 Pages: 165-165
• [Journal Article] LESによるチャネル乱流の大規模流れ構造について (2002)
  • Author(s): 坪倉誠, 田村哲郎
  • Journal Title: 日本流体力学会年会2002講演論文集 Pages: 236-236
• [Journal Article] LES study on the very large scale structures of wall-bounded turbulence and an effect of thermal stratification (2002)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura
  • Journal Title: Proc.of the Ninth European Turbulence Conference, Advances in Turbulence IX (eds.I.P.Castro, P.E.Hancock, T.G.) Pages: 859-859
• [Journal Article] LESによる壁乱流大規模流れ構造解析と成層性の影響 (2002)
  • Author(s): 坪倉誠, 田村哲郎
  • Journal Title: 第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集 Pages: 209-209
• [Publications] Makoto Tsubokura: "Subgrid-scale heat-flux modeling and its assessment on the thermally stratified turbulent channel flow"Program of the 56^<th> annual meeting of the division of fluid dynamics, American physical society. vol.48,no.10. 126 (2003)
• [Publications] Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura: "The large-scale motions in neutral and stably stratified wall-turbulence"Proc.of the third international symposium on turbulence and shear flow phenomena (edts: N.Kasagi et al.). vol.11. 693-698 (2003)
• [Publications] Tetsuro Tamura, Shuyang Cao, Makoto Tsubokura, Yudai Tateyama, Takahito Inaba: "LES analysis on dispersion in surface layer over randomly arranged roughness blocks(edts : N.Kasagi et al.)"Proc.of the third international symposium on turbulence and shear flow phenomena (edts : N.Kasagi et al.). vol.1. 353-358 (2003)
• [Publications] 曹曙陽, 田村哲郎, 坪倉誠, 海老澤明寛: "ラフネスブロック上に発達する安定・不安定温度成層乱流境界層に関する実験的研究"日本流体力学会年会2003講演論文集. 142-143 (2003)
• [Publications] Makoto Tsubokura: "Subgrid Scale Modeling of Turbulence for the Dynamic Procedure Using FDM and its Assessment on the Thermally Stratified Turbulent Channel Flow"CD-ROM Proc.of the 4^<th> ASME・JSME Joint Fluids Engineering Conference FEDSM2003. 45352 (2003)
• [Publications] 坪倉誠, 田村哲郎: "十分発達したチャネル乱流における大規模流れ構造について"日本機械学会論文集(B編). 69・680(掲載予定). (2003)
• [Publications] Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura: "Scaling of the large-scale motions in fully developed turbulent channel flow"Reynolds number scaling in turbulent flow (Kluwer, eds. : A. J. Smits et al.). (To be published). (2003)
• [Publications] Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura: "LES study on the very large-scale structures of wall-bounded turbulence and an effect of thermal stratification"Statistical Theories and Computational Approaches to Turbulence (Springer, eds. : Y. Kaneda and T. Gotoh). 159-173 (2002)
• [Publications] Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura: "Effect of thermal stratification on the large-scale structures of turbulent channel flow"Program of the 55th annual meeting of the division of fluid dynamics, American physical society. 47・10. 165 (2002)
• [Publications] 坪倉誠, 田村哲郎: "LESによるチャネル乱流の大規模流れ構造について"日本流体力学会年会2002講演論文集. 236-237 (2002)
• [Publications] Makoto Tsubokura, Tetsuro Tamura: "LES study on the very large scale structures of wall-bounded turbulence and an effect of thermal stratification"Proc. of the Ninth European Turbulence Conference, Advances in Turbulence IX (eds. I. P. Gastro, P. E. Hancock and T. G. Thomas). 859 (2002)
• [Publications] 坪倉誠, 田村哲郎: "LESによる壁乱流大規模流れ構造解析と成層性の影響"第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. 209 (2002)