A new scenario of dust growth in protoplanetary disks explored through large-scale direct numerical simulations of turbulence

• Project/Area Number: 20H01948
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 16010:Astronomy-related
• Research Institution: Okayama University
• Principal Investigator: 石原 卓 岡山大学, 環境生命自然科学学域, 教授 (10262495)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 奥住 聡 東京工業大学, 理学院, 准教授 (60704533) ; 梅村 雅之 筑波大学, 計算科学研究センター, 特命教授 (70183754) ; 木村 芳文 名古屋大学, 多元数理科学研究科, 特任教授 (70169944)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥16,900,000 (Direct Cost: ¥13,000,000、Indirect Cost: ¥3,900,000); Fiscal Year 2023: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000); Fiscal Year 2021: ¥4,810,000 (Direct Cost: ¥3,700,000、Indirect Cost: ¥1,110,000); Fiscal Year 2020: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: ダスト成長 / 乱流 / 大規模直接数値計算 / 原始惑星系円盤 / 微惑星形成 / ダスト粒子 / 大規模シミュレーション

Outline of Research at the Start

原始惑星系円盤中のダストは円盤ガス乱流中で集積し、衝突付着成長の結果、微惑星形成すると考えられている。しかし、乱流中のダストの平均衝突速度が限界付着速度を超え、衝突破壊が支配的になりダストが成長できないという問題は未解決であり、完全なシナリオは得られていない。本研究では、乱流の恣意性のない理解を与えるナヴィエストークス方程式の大規模直接数値計算を用いて、高レイノルズ数乱流中のダスト粒子の集中と衝突付着成長過程を解明し、ダスト成長の新しいシナリオを提案する。

Outline of Annual Research Achievements

原始惑星系円盤のダスト成長の新シナリオ構築のため乱流の大規模直接数値計算(DNS)を活用した研究を実施しており、本研究では特に高レイノルズ数の乱流 (格子点数4096の3乗、Re=36500) のDNSにおいて、膨大な数(2048の3乗個×慣性の大きさの異なる8種類)の慣性粒子の運動を追跡したデータの解析を進めてきた。その結果、乱流中で衝突付着成長し慣性が増したダストは一般的には衝突速度の平均が限界付着速度を超え、衝突破壊してしまうというシナリオが従来の「衝突破壊問題」であるが、実際の高レイノルズ数乱流中では渦度の強いアクティブ領域と渦度の弱い非アクティブ領域が存在し、アクティブ領域ではダストの衝突は促進されるが限界付着速度を超える衝突も増加するため付着率が減少するが、非アクティブ領域では付着率が平均より高くなり、そのような領域で粒子密度が高い場合にはダスト成長が寡占的に起きうることが示唆された。さらに、一連の乱流の大規模DNSの結果により、高レイノルズ数であるほど渦度やエネルギー散逸率の間欠性が強くなり、それらが極端に大きい値をとる確率が高まる一方、値が平均以下となる非アクティブ領域の体積も増加することから、慣性の大きい粒子が寡占的に成長できる領域も増加傾向にあることが示唆されている。また、乱流(格子点数2048の3乗、Re=16100) 中のダスト粒子の衝突付着シミュレーション(追跡粒子数1024の3乗個)を実施した結果では、実際に限界付着速度以下で衝突付着成長した粒子は、成長して慣性の増した粒子ほど粒子数の増加率が高くなること、また、付着成長して慣性の大きくなった粒子の付着率は、もとから慣性の大きい粒子同士の付着率より高いことが判明した。以上の結果から、乱流中で衝突付着成長した粒子は互いに低速衝突が可能な領域で寡占的に成長する傾向があり、従来の「衝突破壊問題」が現実的な高レイノルズ数乱流中で回避できる可能性が示唆された。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] Delft University of Technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] Trinity College(英国)
• [Int'l Joint Research] Delft University of Technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
• [Int'l Joint Research] Delft University of Technology(オランダ)
• [Int'l Joint Research] University College London(英国)
• [Journal Article] Direct numerical simulations of compressible isothermal turbulence in a periodic box: Reynolds number and resolution-level dependence (2023)
  • Author(s): Sakurai Yoshiki、Ishihara Takashi
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 8 Issue: 8
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.8.084606
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Intermittency across Reynolds numbers -- the influence of large-scale shear layers on the scaling of the enstrophy and dissipation in homogenous isotropic turbulence (2023)
  • Author(s): Elsinga G.E.、Ishihara T.、Hunt J.C.R.
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 974
  • DOI: 10.1017/jfm.2023.799
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Effects of the Compressibility of Turbulence on the Dust Coagulation Process in Protoplanetary Disks (2021)
  • Author(s): Yoshiki Sakurai, Takashi Ishihara, Hitomi Furuya, Masayuki Umemura, Kenji Shiraishi
  • Journal Title: The Astrophysical Journal Volume: 911 Issue: 2 Pages: 140-140
  • DOI: 10.3847/1538-4357/abe9ba
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Statistics of local Reynolds number in box turbulence: ratio of inertial to viscous forces (2021)
  • Author(s): Kaneda Yukio、Ishihara Takashi、Morishita Koji、Yokokawa Mitsuo、Uno Atsuya
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 929
  • DOI: 10.1017/jfm.2021.806
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Non-local dispersion and the reassessment of Richardson's t3-scaling law (2021)
  • Author(s): Elsinga G.E.、Ishihara T.、Hunt J.C.R.
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 932
  • DOI: 10.1017/jfm.2021.989
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Second-order velocity structure functions in direct numerical simulations of turbulence with Rλ up to 2250 (2020)
  • Author(s): Ishihara Takashi、Kaneda Yukio、Morishita Koji、Yokokawa Mitsuo、Uno Atsuya
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 5 Issue: 10 Pages: 104608-104608
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.5.104608
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Extreme dissipation and intermittency in turbulence at very high Reynolds numbers (2020)
  • Author(s): Elsinga Gerrit E.、Ishihara Takashi、Hunt Julian C. R.
  • Journal Title: Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences Volume: 476 Issue: 2243 Pages: 20200591-20200591
  • DOI: 10.1098/rspa.2020.0591
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Domain dependence of relative diffusion of fluid and inertial particles in high Reynolds number turbulence (2024)
  • Author(s): Takashi Ishihara
  • Organizer: Current Advances in Turbulence and multiphase flowS - 24CATS, OIST Seaside House
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Large-scale direct numerical simulations of high Reynolds number turbulence (2024)
  • Author(s): Takashi Ishihara
  • Organizer: Satellite Workshop on High Reynolds Number Turbulence, Nagoya Institute of Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] DNS studies on the processes of particle growth in high Reynolds number turbulence (2024)
  • Author(s): Takashi Ishihara
  • Organizer: 5th International Workshop on Cloud Turbulence, Nagoya Institute of Technology
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原始惑星系円盤の乱流中でのダスト成長 (2023)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: 「成果創出加速」基礎科学合同シンポジウム, 筑波大学・東京キャンパス
• [Presentation] 乱流の慣性小領域における相対粒子拡散のLagrange的速度相関 (2023)
  • Author(s): 徳増 晃平, 浦 覚斗, 石原 卓, 金田 行雄
  • Organizer: 第37回数値流体力学シンポジウム, 名古屋大学
• [Presentation] 一様等方性圧縮等温乱流の高解像度直接数値シミュレーション (2023)
  • Author(s): 櫻井 幹記, 石原 卓, 竹上 諒, 松本 泰生, 横川 三津夫
  • Organizer: 第37回数値流体力学シンポジウム, 名古屋大学
• [Presentation] Effects of arithmetic precision in large-scale direct numerical simulation of incompressible turbulence in a periodic box (2023)
  • Author(s): Takashi Ishihara, Naoya Okamoto, Mitsuo Yokokawa, Yukio Kaneda
  • Organizer: 76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics, Washington, DC
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 3次元非圧縮一様等方性乱流大規模DNSにおける丸め誤差の影響 (2023)
  • Author(s): 岡本直也, 石原卓, 横川三津夫, 金田行雄
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2023, 東京農工大学小金井キャンパス
• [Presentation] 原始惑星系円盤乱流におけるダスト成長のシミュレーション (2023)
  • Author(s): 石原卓, 河原昌平, 梅村雅之
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2023, 東京農工大学小金井キャンパス
• [Presentation] Large-Scale Direct Numerical Simulations of Canonical Turbulence (2023)
  • Author(s): Takashi Ishihara
  • Organizer: CCP2023 - 34th IUPAP Conference on Computational Physics, Kobe International Conference Center
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Vortical structures in high Reynolds number turbulence - clues from DNS results (2023)
  • Author(s): Takashi Ishihara, Hiroki Morinaka, Masaru Inatsu
  • Organizer: ERCOFTAC Symposium “Multiphysics critical flow dynamics involving moving/deformable structures with design applications,” Toulouse
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 原始惑星系円盤における乱流中のダスト成長 (2023)
  • Author(s): 河原昌平, 梅村雅之, 石原卓
  • Organizer: 日本天文学会2023年春季年会
• [Presentation] On the role of high Reynolds number turbulence in the dust coagulation process in a protoplanetary disk (2022)
  • Author(s): 石原卓, 森中宏樹
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2022年大会
• [Presentation] 原始惑星系円盤における乱流とダスト成長 (2022)
  • Author(s): 河原昌平, 梅村雅之, 石原卓
  • Organizer: 日本天文学会2022年秋季年会
• [Presentation] 乱流中の速度勾配テンソルのレイノルズ数依存性についてのDNSデータ解析 (2022)
  • Author(s): 宮本 理史, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022
• [Presentation] 一様等方性圧縮等温乱流の直接数値シミュレーション (2022)
  • Author(s): 元塚 博貴, 櫻井 幹記, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流中の2粒子拡散 のLagrange速度相関のデータ解析 (2022)
  • Author(s): 浦 覚斗, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2022
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流中の慣性粒子の集中と拡散 (2022)
  • Author(s): 徳増晃平, 浦 覚斗, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 中四国・九州支部 第30回講演会
• [Presentation] DNS data analysis of the collision processes of inertial particles in high Reynolds number turbulence (2022)
  • Author(s): Takashi Ishihara
  • Organizer: 4th International Workshop on Cloud Turbulence
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 乱流中の微細渦構造周りの慣性粒子の運動の数値 解析 (2021)
  • Author(s): 元塚 博貴, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2021
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流中の慣性粒子の運動の直接数値シミュレーション (2021)
  • Author(s): 森中 宏樹, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2021
• [Presentation] 乱流の慣性小領域の渦構造についてのDNSデータ解析 (2021)
  • Author(s): 宮本 理史, 石原 卓, 金田行雄
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2021
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流中の流体粒子と慣性粒子の拡 散過程のDNSデータ解析 (2021)
  • Author(s): 浦 覚斗, 石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2021
• [Presentation] 一様等方性圧縮性乱流の直接数値シミュレー ション (2021)
  • Author(s): 櫻井 幹記, 石原 卓, 横川 三津夫
  • Organizer: 第35回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 乱流中で鉛直重力の働く慣性粒子の衝突過程 のDNSデータ解析 (2021)
  • Author(s): 浅井 瑞貴, 櫻井 幹記, 石原 卓
  • Organizer: 第35回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 宇宙物理における乱流現象解明のための計算科学 ー原始惑星系円盤乱流中のダスト成長ー (2021)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: 2021 GFD オンラインセミナー (第 6 回)
  • Invited
• [Presentation] 乱流中の慣性粒子の分布の位相的データ解析 (2021)
  • Author(s): 岡 省吾, 石原 卓
  • Organizer: 日本応用数理学会 2021年度年会
• [Presentation] 乱流中の慣性粒子の衝突・付着現象理解のための数値解析2 (2020)
  • Author(s): 白石 啓貴, 櫻井 幹記,石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2020
• [Presentation] 台風に伴う気象現象と流れ構造の関係のデータ解析 (2020)
  • Author(s): 森中宏樹,石原 卓,稲津 將
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2020
• [Presentation] 乱流中の多重スケール流れ構造と粒子衝突統計の関係についての数値解析 (2020)
  • Author(s): 櫻井 幹記,石原 卓
  • Organizer: 日本流体力学会 年会2020
• [Presentation] 乱流中の慣性粒子の衝突過程に対する重力の影響のDNSデータ解析 (2020)
  • Author(s): 浅井 瑞貴, 石原 卓
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流中の微粒子運動のデータ科学 (2020)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: 工学と数学の接点を求めて 大阪大学MMDSモデリング部門主催 流体工学・データサイエンスセッション
• [Presentation] 高レイノルズ数乱流のデータ科学プラットフォームの構築 (2020)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: JHPCN: 学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 第12回シンポジウム
• [Presentation] カノニカル乱流の大規模直接数値シミュレーション (2020)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: 第7回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
• [Presentation] 乱流の大規模DNSを用いた大気汚染物質拡散データベースの構築 (2020)
  • Author(s): 石原 卓
  • Organizer: 第7回「京」を中核とするHPCIシステム利用研究課題 成果報告会
• [Remarks] 石原 卓 (Takashi Ishihara) - マイポータル - researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/takashi_ishihara
• [Remarks] HOME | 石原研究室 （Ishihara Laboratory）
  • URL: https://www.mtds.okayama-u.ac.jp/faculty_members/ishihara/
• [Remarks] 石原研究室(Ishihara Laboratory)
  • URL: http://www.mtds.okayama-u.ac.jp/faculty_members/ishihara/
• [Remarks] 石原研究室（Ishihara Laboratory）
  • URL: http://www.mtds.okayama-u.ac.jp/faculty_members/ishihara/
• [Funded Workshop] ICFD2023 (2023)