壁乱流のマルチスケールダイナミクスの解明とLESに適した壁面境界条件モデルの開発

• Project/Area Number: 17760136
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Hokkaido University (2007); The University of Electro-Communications (2005-2006)
• Principal Investigator: 坪倉 誠 Hokkaido University, 大学院・工学研究科, 准教授 (40313366)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2007: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2006: ¥1,100,000 (Direct Cost: ¥1,100,000); Fiscal Year 2005: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: 流体 / 乱流 / 数値流体力学 / LES / DNS / 壁乱流 / マルチスケール / 境界条件 / 乱流構造

Research Abstract

本研究ではLES、およびDNSを併用したハイブリッドLESを適用することで壁乱流の空間構造を解析し、ミクロスケールからマクロスケールに至る乱流構造の相互作用に着目し、そのマルチスケールメカニズムを解明することを目的とする。得られた知見を基に、LESに適した人工的壁面境界条件モデルの開発を目指す。
最終年度の本年度は、昨年度までに得られた壁乱流外層域構造の普遍性と内層構造の相互作用に関する知見やLES/RANSハイブリッドモデルにおける既存モデルの問題点をもとに、壁面から離れた領域にある乱流構造が壁面摩擦応力に与える影響を考察し、この結果を基に壁面近傍に採用したRANSモデルを修正することで壁面の数理モデル化を目指した。
具体的には円管流を対象に、SpalartらのDESハイブリッドモデルに対して、モデルに対して、モデルに含まれるモデル係数と長さスケールに対して検討を行い、マルチスケールダイナミクスの観点から外層構造の再現性に対する最適化を行った。この乱流数理モデルの構築に加えて、安定化スキームを利用した擬似DNSの壁面近傍モデルとしての有用性に着目し、乱流数理モデルと数値スキームの双方を考慮に入れた統括的モデルを構築し、その効果をまずチャネル流において検討した。次により実用的な視点から自動車空力解析にこの手法を適用し、壁面摩擁応力の予測精度の観点から風洞実験データとの比較によりモデルの評価を行い、その高精度化を図った。
これらの結果より、産業応用を前提としたLESにおいて重要課題である壁面境界条件モデルとして、乱流モデルと安定化数値スキームの併用による壁面処理が有効な解決策となりうることを示した。

Research Products

• [Journal Article] On the outer large-scale motions of wall turbulence and their interaction with near-wall structures using large eddy simulation (2008)
  • Author(s): M. Tsubokura
  • Journal Title: Computers & Fluids (印刷中)
  • NAID: 120004448548
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] On the outer large-scale motions of wall turbulence and their interaction with near-wall structures using large eddy simulation (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Journal of Computers ＆ Fluids revised
  • NAID: 120004448548
• [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(第2報 安定温度成層の影響と自己相似性について) (2006)
  • Author(s): 坪倉誠
  • Journal Title: 日本機械学会論文集(B編) 72巻,724号 Pages: 2909-2916
  • NAID: 110006153410
• [Journal Article] Large eddy simulation of turbulent pipe flows over surface roughness and their effects on the outer large structures (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Jun Etoh, Shigeaki Kuroda
  • Journal Title: The 2006 American Physical Society Division of Fluid Dynamics 59th Annual Meeting vol.51, no.9 Pages: 239-239
• [Journal Article] On the applicability of LES to accelerated turbulenct channel flows (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura, Jun Etoh, Binghu Piao, Shigeaki Kuroda
  • Journal Title: 7th World Congress on Computational Mechanics
• [Journal Article] On the outer large-scale motions of wall turbulence and their interaction with near-wall structures, Conference on Turbulence and Interactions (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Conference on Turbulence and Interactions, TI2006
• [Journal Article] 円管内大規模乱流構造のLES解析(粗面と滑面の比較) (2006)
  • Author(s): 衛藤潤, 坪倉誠, 朴柄湖, 黒田成昭
  • Journal Title: 第20回数値流体力学シンポジウム講演論文集
• [Journal Article] Subgrid Scale modeling of Turbulence for the Dynamic Procedure Using FDM and its Assessment on the Thermally Stratified Turbulent Channel Flow (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Journal of Applied Mechanics, ASME (掲載決定)
• [Journal Article] The largest scales of fully developed turbulent pipe flows by using LES (2006)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Proc.of the conference "Whither Turbulence Prediction and Control (WTPC)" 論文番号WTPC-074
• [Journal Article] Numerical study on the largest scales of fully developed turbulent pipe flow by LES (2005)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Program of the 58th annual meeting of the division of fluid dynamics 50・9 Pages: 238-238
• [Journal Article] LES study on the large-scale motions of wall turbulence an their structural difference between plane channel and pipe flows (2005)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Proc.of the fourth international symposium on turbulence and shear flow phenomena 3 Pages: 1037-1037
• [Journal Article] Development of the subgrid-scale models in large eddy simulation for the finite difference schemes (2005)
  • Author(s): Makoto Tsubokura
  • Journal Title: Proc.of the 6th international symposium on Engineering Turbulence Modelling and Measurements Pages: 297-306
• [Journal Article] 加速する壁乱流におけるLESの適用性について (2005)
  • Author(s): 衛藤潤
  • Journal Title: 日本機械学会2005年度年次大会講演論文集 7 Pages: 43-43
• [Presentation] High Performance Computing for the Assessment of Unsteady Aerodynamic Forces on Vehicles Using Large Eddy Simulation (2007)
  • Author(s): M. Tsubokura
  • Organizer: 6th FKFS-Conference 〜Progress in Vehicle Aerodynamics and Thermal Management V
  • Place of Presentation: ドイツシュツットガルト・シュツットガルト工科大学FKFS
  • Year and Date: 2007-10-09
• [Presentation] The Effects of the Wall-Layer Models on the Outer Turbulence Structures in Large Eddy Simulation of Pipe Flows (2007)
  • Author(s): M. Tsubokura
  • Organizer: FEDSM07 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference
  • Place of Presentation: 米国カリフォルニア州サンディエゴ・Sheraton San Diego Hotel & Marina
  • Year and Date: 2007-08-01
• [Presentation] Current Status on High Performance Computing for Vehicle Aerodynamics Using Large Eddy Simulation (2007)
  • Author(s): M. Tsubokura
  • Organizer: FEDSM07 5th Joint ASME/JSME Fluids Engineering Conference
  • Place of Presentation: 米国カリフォルニア州サンディエゴ・Sheraton San Diego Hotel & Marina
  • Year and Date: 2007-07-30