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環状流路内の亜臨界遷移流れの大規模直接数値解析:現象解明から熱交換器応用まで

Research Project

Project/Area Number 14J07477
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Fluid engineering
Research InstitutionTokyo University of Science

Principal Investigator

石田 貴大  東京理科大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2016)
Budget Amount *help
¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000)
Fiscal Year 2016: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Fiscal Year 2014: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000)
Keywords直接数値計算 / 二重円管内環状流 / 亜臨界遷移 / 大規模秩序構造 / 乱流 / 環状流 / 大規模乱流構造 / 乱流熱伝達 / 直接数値解析
Outline of Annual Research Achievements

スーパーコンピュータを利用して,二重円管内環状流れの大規模直接数値解析を行い,乱流と層流との境界である遷移レイノルズ数域において遷移域特有の秩序構造発生の有無を調査した.特に内円筒半径割る外円筒半径で定義される円筒比依存性の調査を行うことで流動系に依存しない遷移現象の統一的な理解を目的として研究結果を得た.これにより,遷移域で層流と乱流状態が共存する層流乱流パターンが発生することを明らかにし,円筒比に依存してパターンの形状が変化することを明らかにした.円筒比が小さい場合,円管内流れで観察されるパフに類似した流れ方向に局在化した一次元的構造が発生,反対に大きい場合には,平面間流れで生じる乱流の縞状構造と同様の二次元的構造である螺旋乱流が発生することを明らかにした.また,中程度の円筒比では,パフと螺旋乱流の特徴を同時に有する螺旋パフが発生することで極限同士を繋げることを明らかにした.
発展的解析として,遷移現象の差異及び変化原因を明らかにするため,新規解析・評価手法の導入を行った.パターン発生時の小規模及び大規模スケールの乱流構造を分類することで,パターン形状の変化は周方向二次流れの有無によって特徴付けられることを明らかにした.また,流動状態の特徴モードを抽出することで,異なるパターンの特徴を明確にし,パターン形状の変化は円筒比のみでなくレイノルズ数にも依存して変化することを示した.これによりレイノルズ数及び円筒比に依存した遷移現象の変化を定量的に捉えることに成功した.
実験可能なパラメータ(レイノルズ数・円筒比)を増やすため,円筒直径を小さくした大型実験装置を新設した.また,新規実験装置は縦置きにすることで可視化用フレーク粒子が沈殿する問題の解決を行い,数値解析での結果をより明確にするため,可視化実験を行い,幅広いパラメータ領域でのパターン発生の有無の調査を行った.

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2016 Annual Research Report
  • 2015 Annual Research Report
  • 2014 Annual Research Report
  • Research Products

    (28 results)

All 2017 2016 2015 2014 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 2 results) Presentation (20 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results)

  • [Int'l Joint Research] KTH Royal Institute of Technology(Sweden)

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  • [Int'l Joint Research] LIMSI(France)

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  • [Journal Article] Friction factor of annular Poiseuille flow in a transitional regime2017

    • Author(s)
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara
    • Journal Title

      Advances in Mechanical Engineering

      Volume: 9 Issue: 1

    • DOI

      10.1177/1687814016683358

    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Transitional structures in annular Poiseuille flow depending on radius ratio2016

    • Author(s)
      Takahiro Ishida, Duguet Yohann, and Takahiro Tsukahara
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: R2

    • DOI

      10.1017/jfm.2016.192

    • Related Report
      2015 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Journal Article] Effects of spanwise system rotation on turbulent stripes in a plane Poiseuille flow2015

    • Author(s)
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Yasuo Kawaguchi
    • Journal Title

      Journal of Turbulence

      Volume: Vol. 3 Issue: 3 Pages: 273-289

    • DOI

      10.1080/14685248.2014.984067

    • Related Report
      2014 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Large-scale structure alternation in rotating plane Poiseuille flow at transitional Reynolds number2014

    • Author(s)
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Yasuo Kawaguchi
    • Journal Title

      Applied Thermal Engineering

      Volume: Vol. 72 Issue: 1 Pages: 70-81

    • DOI

      10.1016/j.applthermaleng.2013.12.029

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  • [Presentation] DNSによる遷移域スライディング・クエット流の乱流間欠率に関する研究2017

    • Author(s)
      國井 康平,石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • Place of Presentation
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • Year and Date
      2017-03-16
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 環状流における周方向大規模流れに起因した遷移構造の変化2017

    • Author(s)
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • Place of Presentation
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • Year and Date
      2017-03-16
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 下臨界レイノルズ数付近における乱流斑点から帯への成長に関する研究2017

    • Author(s)
      猪岡 翔,石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • Place of Presentation
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • Year and Date
      2017-03-16
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 粗面クエット流において発生する様々な準秩序構造2016

    • Author(s)
      石田 貴大,Geert Brethouwer,Yohann Duguet,塚原 隆裕
    • Organizer
      第94期日本機械学会流体工学部門講演会
    • Place of Presentation
      山口大学工学部(山口県,宇部市)
    • Year and Date
      2016-11-12
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 乱流斑点の帯状成長に注目した下臨界レイノルズ数の確率論的研究2016

    • Author(s)
      猪岡 翔,石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本流体力学会年会2016
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学御器所キャンパス(愛知県,名古屋市)
    • Year and Date
      2016-09-26
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 遷移域スライディング・クエット流の局在乱流構造と統計量に及ぼす壁面曲率の影響2016

    • Author(s)
      國井 康平,石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本流体力学会年会2016
    • Place of Presentation
      名古屋工業大学御器所キャンパス(愛知県,名古屋市)
    • Year and Date
      2016-09-26
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Investigating the lower critical Reynolds number focusing on the turbulent spot and stripe at plane channel flow2016

    • Author(s)
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Sho Inooka
    • Organizer
      11th Euromech Fluid Mechanics Conference
    • Place of Presentation
      Seville (Spain)
    • Year and Date
      2016-09-12
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      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Helical turbulence and puff in transitional sliding Couette flow2016

    • Author(s)
      Kohei Kunii, Takahiro Ishida, and Takahiro Tsukahara
    • Organizer
      24th International Congress of Theoretical Applied Mechanics
    • Place of Presentation
      Montreal (Canada)
    • Year and Date
      2016-08-21
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粘弾性流体の回転平面クエット流におけるロールセル変調2016

    • Author(s)
      塚原 隆裕,石田 貴大,戸倉 彰太
    • Organizer
      第44回可視化情報シンポジウム
    • Place of Presentation
      工学院大学新宿キャンパス(東京都新宿区)
    • Year and Date
      2016-07-19
    • Related Report
      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] 粘弾性流体の回転平面クエット流に関するDNS解析:ロールセル不安定性の変化2015

    • Author(s)
      戸倉 彰太,石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      第29回数値流体力学シンポジウム
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県)
    • Year and Date
      2015-12-15
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: Numerical study on heat transfer2015

    • Author(s)
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • Organizer
      5th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
    • Place of Presentation
      Busan, Korea
    • Year and Date
      2015-11-22
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      2015 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 二重円管内乱流の亜臨界遷移に関する直接数値シミュレーション2015

    • Author(s)
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      第93期日本機械学会流体工学部門講演会
    • Place of Presentation
      東京理科大学(東京都)
    • Year and Date
      2015-11-07
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] 平面ポアズイユ流の亜臨界遷移における下臨界レイノルズ数2015

    • Author(s)
      塚原 隆裕,石田 貴大
    • Organizer
      日本流体力学会年会
    • Place of Presentation
      東京工業大学(東京都)
    • Year and Date
      2015-09-26
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      2015 Annual Research Report
  • [Presentation] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: effect of radius ratio on structures2015

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      T. Ishida and T. Tsukahara
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      15th EUROMECH European Turbulence Conference
    • Place of Presentation
      Delft, Netherlands
    • Year and Date
      2015-08-25
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: Direct numerical simulation of a large domain2015

    • Author(s)
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • Organizer
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2015
    • Place of Presentation
      Seoul, Korea
    • Year and Date
      2015-07-26
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      2015 Annual Research Report
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  • [Presentation] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: occurrence of helical turbulent band2015

    • Author(s)
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • Organizer
      6th International Symposium on Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics
    • Place of Presentation
      Paris, France
    • Year and Date
      2015-07-15
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Numerical investigation of high rotation effects on laminar flow in rotating plane Couette flow2015

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      T. Ishida, H. Tatematsu, and T. Tsukahara
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      19th International Couette-Taylor Workshop
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      Cottbus, Germany
    • Year and Date
      2015-06-22
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Critical Reynolds number for global instability of channel flow in subcritical scenario2014

    • Author(s)
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • Organizer
      67th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamic
    • Place of Presentation
      Moscone Center, San Francisco, CA, USA
    • Year and Date
      2014-11-23 – 2014-11-25
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      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] チャネル流における乱流斑点成長の下臨界レイノルズ数の調査2014

    • Author(s)
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • Organizer
      日本流体力学会年会2014
    • Place of Presentation
      東北大学川内キャンパス(仙台市)
    • Year and Date
      2014-09-15 – 2014-09-17
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      2014 Annual Research Report
  • [Presentation] The lower bound of subcritical transition in plane Poiseuille flow2014

    • Author(s)
      T. Tsukahara and T. Ishida
    • Organizer
      Euromech Colloquium EC565 on Subcritical Transition to Turbulence
    • Place of Presentation
      IESC Cargese, Corsica, France
    • Year and Date
      2014-05-06 – 2014-05-09
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      2014 Annual Research Report

URL: 

Published: 2015-01-22   Modified: 2024-03-26  

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