多孔体内における二重平均系の乱流熱輸送モデリングに関する研究

• Project/Area Number: 14J10154
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Osaka Prefecture University
• Principal Investigator: 桑田 祐丞 大阪府立大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2014-04-25 – 2017-03-31
• Project Status: Declined (Fiscal Year 2016)
• Budget Amount: ¥3,070,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2016: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2015: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2014: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 乱流 / 多孔体 / 格子ボルツマン法 / 二重平均方程式 / 直接数値解析 / 直接数値計算 / 二重平均系 / 乱流輸送 / 渦構造

Outline of Annual Research Achievements

本研究では多孔体界面乱流の現象理解・モデル化を目的としており，当該年度ではこれまで行ってきたチャネルの下半分を多孔体で敷き詰めた多孔体チャネルの直接数値解析データを用いて，乱流渦構造の解明・乱流輸送メカニズムについて考察を行った．
特に，多孔体の透過性が乱流輸送に与える影響について調べたるために，解析結果は多孔体と同じ表面構造を持つ粗面乱流の解析データと比較した．得られたデータを用いて，体積・レイノルズ平均乱流方程式に現れる各乱流相関項の評価を行った．その結果，多孔体界面上で生成された乱れは多孔体内部には乱流・圧力拡散項によって輸送されており，多孔体深部には特に圧力拡散項によって輸送されていることが明らかになった．さらに，分散相関項の生成項の評価を行い，これらの相関項を予測する乱流モデルを構築する上で重要な知見を得ることができた．さらに，乱流渦構造を調べると，多孔体界面ではKelvin-Helmholtz不安定性に起因する大規模な圧力波が現れ，乱流を強化していることが分かった．
さらにこの圧力波が多孔体深部に到達することで乱流が多孔体内部に輸送されることが分かった．
また，これまで等方的な多孔体において議論を行ってきたが，より汎用的なモデルを構築するためには様々な多孔体構造が周囲の乱流場に与える影響を調べる必要がある．
そのため本年度は非等方的な透過性を持つ多孔体においても解析を行った．その結果，壁面垂直方向の透過性は周囲の流れに影響を及ぼさないが，主流方向に透過性を持つ多孔体上ではK-H不安定性に起因する圧力波が維持され強い乱れを生じることが分かった．

Research Progress Status

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

翌年度、交付申請を辞退するため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] Imbalance-correction grid-refinement method for lattice Boltzmann flow simulations (2016)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Journal Title: Journal of Computational Physics Volume: 311 Pages: 348-362
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2016.02.008
  • Peer Reviewed / Open Access / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] Large eddy simulations of pore-scale turbulent flows in porous media by the lattice Boltzmann method (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Journal Title: International Journal of Heat and Fluid Flow Volume: 15 Pages: 143-157
  • DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2015.05.015
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Anomaly of the lattice Boltzmann methods in three-dimensional cylindrical flows (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata and K. Suga
  • Journal Title: J. Comput. Physics Volume: 280 Pages: 563-569
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2014.10.002
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Progress in the extension of a second-moment closure for turbulent environmental flows (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata and K. Suga
  • Journal Title: Int. J. Heat Fluid Flow Volume: 51 Pages: 268-284
  • DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.10.011
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] D3Q27Multiple-Relaxation-time lattice Boltzmann method for turbulent flows (2015)
  • Author(s): K. Suga, Y. Kuwata, K.Takashima, R.Chikasue
  • Journal Title: Comput. Math. Appl Volume: 69 Issue: 6 Pages: 518-529
  • DOI: 10.1016/j.camwa.2015.01.010
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Development and application of a multi-scale k-ε model for turbulent porous medium flows (2014)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga and Y.Sakurai
  • Journal Title: Int. J. Heat Fluid Flow Volume: 49 Pages: 135-150
  • DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2014.02.007
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Turbulence over/inside porous surfaces and challenges to its modelling (2014)
  • Author(s): K. Suga, Y. Kuwata
  • Journal Title: J. Physics: Conference Series Volume: 79 Pages: 3-8
  • DOI: 10.1088/1742-6596/530/1/012004
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Improvement of the Zonal Grid Refinement Scheme for the Lattice Boltzmann Method (2016)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: The First Pacific Rim Thermal Engineering Conference
  • Place of Presentation: Waikoloa Beach Marriott Resort &Spa , Hawaii, USA
  • Year and Date: 2016-03-13
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三次元モデル多孔体内の共役熱流動LESによる乱流及び分散熱流束項のモデル化に関する検討 (2016)
  • Author(s): 近末竜，桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 日本機械学会関西支部第91期定時総会講演会
  • Place of Presentation: 大阪電気通信大学 寝屋川キャンパス（大阪府 寝屋川市）
  • Year and Date: 2016-03-11
• [Presentation] Large eddy Simulation of turbulent heat transfer in square rod array flows by the lattice Boltzmann method (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata, Y. Sakurai, K. Suga
  • Organizer: The Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow2015
  • Place of Presentation: Busan EXhibition & COnvention center, Busan, Korea
  • Year and Date: 2015-11-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 三次元モデル多孔体内の共役熱流動LES (2015)
  • Author(s): 近末竜，桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 熱工学コンファレンス2015
  • Place of Presentation: 大阪大学 吹田キャンパス（大阪府 吹田市）
  • Year and Date: 2015-10-24
• [Presentation] Turbulent transport in the interface region of porous layer (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: 8th Int. Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer
  • Place of Presentation: Officer's Hall,Sarajevo, Bosnia and Herzegovina
  • Year and Date: 2015-09-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] DNS of a fully developed turbulent porous channel flow by the lattice Boltzmann method (2015)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: 9th Int. Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • Place of Presentation: The University of Melbourne, Australia
  • Year and Date: 2015-06-30
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 角柱群内乱流熱輸送における二重平均相関量の挙動 (2015)
  • Author(s): 桑田祐丞，桜井洋太，須賀一彦
  • Organizer: 第52回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: 福岡国際会議場（福岡県 福岡市）
  • Year and Date: 2015-06-03
• [Presentation] 格子ボルツマン法を用いた正方形角柱群内熱流動のラージ・エディ・シミュレーション (2015)
  • Author(s): 桜井 洋太，桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 日本機械学会関西支部第90期定時総会講演会
  • Place of Presentation: 京都大学 桂キャンパス（京都府 京都市）
  • Year and Date: 2015-03-16 – 2015-03-17
• [Presentation] 乱流解析のための格子ボルツマン-マルチブロック法の開発 (2014)
  • Author(s): 桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 第28回数値流体シンポジウム
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 (東京都 江戸川区船堀)
  • Year and Date: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [Presentation] LBMによる多孔体内乱流のLES（D3Q19モデルとD3Q27モデルの比較） (2014)
  • Author(s): 近末 竜, 桑田 祐丞, 須賀 一彦
  • Organizer: 第28回数値流体シンポジウム
  • Place of Presentation: タワーホール船堀 (東京都 江戸川区船堀)
  • Year and Date: 2014-12-09 – 2014-12-11
• [Presentation] A new multi-block-LBM scheme for turbulent flow simulations (2014)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: 67th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Place of Presentation: San Francisco (USA)
  • Year and Date: 2014-11-23 – 2014-11-25
• [Presentation] Large Eddy simulation of turbulence in porous media (2014)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: 10th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements
  • Place of Presentation: Marbella (Spain)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-19
• [Presentation] Lattice Boltzmann LES of Conjugate Turbulent Heat Transfer in Square Rod Arrays (2014)
  • Author(s): Y. Sakurai, Y. Kuwata, K. Suga
  • Organizer: 10th International ERCOFTAC Symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements
  • Place of Presentation: Marbella (Spain)
  • Year and Date: 2014-09-17 – 2014-09-19
• [Presentation] Multi-scale second moment modelling of turbulence and heat transfer in porous media (2014)
  • Author(s): Y. Kuwata, K. Suga,
  • Organizer: 15th Int. Heat Transfer Conference, Kyoto, Japan
  • Place of Presentation: 国立京都国際会館 (京都府 京都市)
  • Year and Date: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [Presentation] 微視的多孔体内乱流シミュレーションに基づく乱流モデルの構築 (2014)
  • Author(s): 桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松・コングレスセンター (静岡県 浜松)
  • Year and Date: 2014-05-21 – 2014-05-23
• [Presentation] 子ボルツマン法を用いたラージ・エディ・シミュレーションによる正方形角柱群内熱流動の解析 (2014)
  • Author(s): 桜井 洋太，桑田祐丞，須賀一彦
  • Organizer: 第51回日本伝熱シンポジウム
  • Place of Presentation: アクトシティ浜松・コングレスセンター (静岡県 浜松)
  • Year and Date: 2014-05-21 – 2014-05-23
• [Remarks]
  • URL: http://www.me.osakafu-u.ac.jp/htlab/