ニュートン・非ニュートン流体回転平面クエット流れの安定性・乱流構造の解明

• Project/Area Number: 17J04115
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 河田 卓也 東京理科大学, 理工学部, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2017-04-26 – 2020-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2019)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2018: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000); Fiscal Year 2017: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 壁乱流 / 非線形マルチスケール相互作用 / 粘弾性流体 / 直接数値シミュレーション / PIV計測 / 渦構造の非線形相互干渉 / 流れの不安定性 / ステレオPIV計測 / 乱流直接数値解析 / 可視化実験

Outline of Annual Research Achievements

前年度までの研究活動において、スウェーデン王立工科大学（KTH）における回転平面クエット流に関する実験を予定通り終了しているので、今年度は同実験により取得した多量の実験データの整理・解析を行なうとともに、大阪大学サイバーメディアセンターのスーパーコンピュータを用いた大規模計算により、回転の無いニュートン流体乱流における非線形マルチスケール相互作用に関する数値解析を引き続き行った。
まず、KTHにおける実験により取得した実験データの解析に関しては、これまでの研究により確立した解析法を用いることで、流れ場に生じる大規模な渦構造と小さな乱流構造の間に生じる相互作用が運動量やエネルギーの輸送に影響を与えるメカニズムを明らかにした。また、粘弾性回転平面クエット流の実験では、前年度取得した可視化実験・ステレオP I V計測の結果を解析したところ、粘弾性には縦渦構造を安定化させ、さらなる不安定性の出現を抑制する事が明らかになった一方、レイノルズ数・回転数・界面活性剤濃度の条件によってはニュートン流体の場合には見られない特殊な不安定性が生じることも明らかになった。
また、大規模計算によるニュートン流体壁乱流中のマルチスケール相互作用に関する数値解析では、計算領域をあえて小さくした数値解析を行うことにより、大・小スケール間のエネルギー輸送がどの様な渦構造のダイナミクスにより生じるのかを詳しく調べた。その結果、乱流エネエルギーの準カスケード（大きいスケールから小さいスケールへのエネルギー輸送）と逆カスケードはそれぞれ「自己維持サイクル（self-sustaining cycle）」と呼ばれる乱流の維持機構が伴う「ストリーク不安定性」と「主流方向縦渦の再生成」に対応する事が明らかになった。

Research Progress Status

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] 王立工科大学（KTH）(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] 王立工科大学(スウェーデン)
• [Int'l Joint Research] KTH Royal Institute of Technology(スウェーデン)
• [Journal Article] Investigation of the structures in the unstable rotating-cone boundary layer (2019)
  • Author(s): Kentaro Kato, Takuya Kawata, P. Henrik Alfredsson, Rebecca J. Lingwood
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 4 Issue: 5 Pages: 053903-053903
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.4.053903
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Scale interactions in turbulent rotating planar Couette flow: insight through the Reynolds stress transport (2019)
  • Author(s): Takuya Kawata, P. Henrik Alfredsson
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 879 Pages: 255-295
  • DOI: 10.1017/jfm.2019.668
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Inverse Interscale Transport of the Reynolds Shear Stress in Plane Couette Turbulence (2018)
  • Author(s): Takuya Kawata, P. Henrik Alfredsson
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 120 Issue: 24 Pages: 244501-244501
  • DOI: 10.1103/physrevlett.120.244501
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Viscoelastic effect on steady wavy roll cells in wall-bounded shear flow (2018)
  • Author(s): Tomohiro Nimura, Takuya Kawata, Takahiro Tsukahara
  • Journal Title: Fluid Dynamics Research Volume: 50 Issue: 5 Pages: 051414-051414
  • DOI: 10.1088/1873-7005/aac477
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Viscoelasticity-induced pulsatile motion of 2D roll cell in laminar wall-bounded shear flow (2018)
  • Author(s): Tomohiro Nimura, Takuya Kawata, Takahiro Tsukahara
  • Journal Title: International Journal of Heat and Fluid Flow Volume: 74 Pages: 65-75
  • DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2018.09.001
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] DNS of Taylor-Couette flow between counter-rotating cylinders at small radius ratio (2018)
  • Author(s): Ryo Tanaka, Takuya Kawata, Takahiro Tsukahara
  • Journal Title: International Journal of Advances in Engineering Sciences and Applied Mathematics Volume: 10 Issue: 2 Pages: 159-170
  • DOI: 10.1007/s12572-018-0217-x
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Flow Structures and Momentum Transport in Turbulent Rotating Plane Couette Flow (2017)
  • Author(s): Kawata Takuya、Alfredsson P. Henrik
  • Journal Title: Progress in Turbulence Volume: VII Pages: 51-57
  • DOI: 10.1007/978-3-319-57934-4_8
  • ISBN: 9783319579337, 9783319579344
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] 平面クエット乱流におけるレイノルズ応力スペクトル輸送 (2019)
  • Author(s): 河田卓也、塚原隆裕
  • Organizer: 日本流体力学会年会２０１９
• [Presentation] Interscale transport of the Reynolds shear stress in wall-bounded flows (2019)
  • Author(s): Ramis Orlu, Geoelle Ferrante, Andrea Morfin, Takuya Kawata, Phillip Schlatter, P. Henrik Alfredsson
  • Organizer: The 72nd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical investigation on scale-by-scale Reynolds stress transport in plane Couette turbulence (2019)
  • Author(s): Takuya Kawat, Takahiro Tsukahara
  • Organizer: The 11th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Interscale transport in wall-bounded turbulent flows (2019)
  • Author(s): Geoelle Ferrante, Andrea Morfin Takuya Kawata, Ramis Orlu, Phillip Schlatte, P. Henrik Alfredsson
  • Organizer: Svenska Mekanikdagar 2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 平面クエット乱流におけるスケール間レイノルズ応力輸送 (2018)
  • Author(s): 河田卓也、ヘンリク・アルフレッドソン
  • Organizer: 日本流体力学会年会２０１８
• [Presentation] Interscale transport of the Reynolds stress in turbulent plane Couette flow (2018)
  • Author(s): Takuya Kawata, P. Henrik Alfredsson
  • Organizer: 12th European Fluid Mechanics Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] ミニマル領域を用いた平面クエット乱流の直接数値解析 (2017)
  • Author(s): 河田卓也
  • Organizer: 日本流体力学会年会２０１７
• [Presentation] Interaction between large- and small-scale structures in turbulent rotating plane Couette flow (2017)
  • Author(s): Takuya Kawata
  • Organizer: 16th European Turbulence Conference
  • Int'l Joint Research