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原始惑星系円盤中の微惑星形成における衝突破壊問題解決のための乱流シミュレーション

Research Project

Project/Area Number 20J13073
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Review Section Basic Section 17010:Space and planetary sciences-related
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

櫻井 幹記  名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

Project Period (FY) 2020-04-24 – 2022-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2021)
Budget Amount *help
¥1,700,000 (Direct Cost: ¥1,700,000)
Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000)
Keywords乱流 / 大規模直接数値計算 / 慣性粒子 / 流れ構造 / 圧縮性乱流 / 普遍性 / 微惑星形成 / 原始惑星系円盤 / 直接数値計算
Outline of Research at the Start

惑星形成理論によると、原始惑星系円盤中に存在するダスト粒子が乱流状態であるガスによって運搬され、衝突・合体を繰り返して微惑星となり、微惑星同士が重力によりさらに合体することで惑星が形成されると考えられている。しかし、微惑星形成段階において、理論的に予測されるダスト粒子の衝突速度が大きく、微惑星に成長するまでに破壊されてしまうという未解決問題(衝突破壊問題)が存在する。本研究では、原始惑星系円盤における乱流場の圧縮性や乱流構造、粒子付着成長がこの問題に対してどのような影響を与えるのかを、スーパーコンピュータを活用した大規模シミュレーションによって明らかにする。

Outline of Annual Research Achievements

惑星形成の標準モデルによると、微惑星は原始惑星系円盤中の乱流によって駆動されるダスト粒子の衝突合体によって形成されたと考えられている。そのため、乱流中のダスト粒子の振る舞い、および、乱流の普遍性を解明することは重要である。本年度は、(1)乱流中の様々なスケールの流れ構造と粒子運動の関係の定量化、(2)天文分野でしばしば用いられる等温を仮定した圧縮性乱流場の解析を行った。
(1)では、慣性を持つ粒子を伴う非圧縮性乱流の直接数値計算(DNS)で得られたデータを解析した。速度場を粗視化することで様々なスケールの流れ構造を抽出したところ、粗視化された渦領域では慣性の大きい粒子の存在確率が小さいことが示された。また、粗視化された渦周りの粒子数密度を調べたところ、渦周りで低密度領域を形成する粒子の慣性は粗視化度合いの増加に伴って大きくなることがわかった。以上の結果は、粒子は主にその慣性の大きさに対応するスケールの渦によって排出されるという共鳴条件の仮説が粗視化された渦において成立することを示したものであり、乱流中の様々なスケールの渦構造と粒子運動の関係を示す重要な知見を与えるものであると考えられる。
(2)では、スーパーコンピュータ「富岳」を用いることで、等温を仮定した圧縮性乱流の大規模DNSを実施し、得られた統計量を非圧縮性乱流の統計量と比較した。その結果、圧縮性乱流の速度場のソレノイダル成分で計算されるエネルギースペクトルおよび規格化されたエネルギー散逸率のソレノイダル成分は、非圧縮性乱流場のエネルギースペクトルおよび規格化されたエネルギー散逸率とそれぞれよく一致することがわかった。これは、高レイノルズ数における圧縮性乱流場の普遍性に対して重要な知見を与えるものであると考えられる。一方、乱流場の圧縮成分の普遍性を探究するにはさらに高いレイノルズ数を実現する必要があり、今後の課題である。

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report
  • Research Products

    (6 results)

All 2021 2020

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (5 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results)

  • [Journal Article] Effects of the Compressibility of Turbulence on the Dust Coagulation Process in Protoplanetary Disks2021

    • 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

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Particle collision statistics in multiscale turbulent flow structures2021

    • Author(s)
      Yoshiki Sakurai, Naoki Kobayashi, Takashi Ishihara
    • Organizer
      The 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2020+1)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [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
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Multi-scale turbulent flow structures and particle collision statistics on planetesimal formation2020

    • Author(s)
      櫻井幹記, 石原卓, 梅村雅之
    • Organizer
      日本地球惑星科学連合2020年大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [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
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 乱流中の多重スケール流れ構造と粒子衝突統計のDNSデータ解析2020

    • Author(s)
      櫻井幹記, 石原卓
    • Organizer
      第18回日本流体力学会中部支部講演会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

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Published: 2020-07-07   Modified: 2024-03-26  

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