Analysis and modeling of spatial and temporal non-local properties of turbulent eddy diffusivity approximation

• Project/Area Number: 20K04282
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: Hamba Fujihiro 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (20251473)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,690,000 (Direct Cost: ¥1,300,000、Indirect Cost: ¥390,000)
• Keywords: 乱流モデル / 渦拡散率 / 非局所性 / 渦拡散近似

Outline of Research at the Start

非一様乱流の数値シミュレーションで広く用いられる渦拡散近似に着目し、平均スカラー勾配が乱流スカラーフラックスに及ぼす空間的時間的な非局所性効果を物理的に解明し、非局所渦拡散率の関数形を提案する。まず一様等方乱流の直接数値計算を行い、非局所渦拡散率の空間時間分布を数値的に求める。次に乱流の統計理論を用いて非局所渦拡散率の関数形を導出し検証する。さらにチャネル乱流の直接数値計算を行い、乱流の非等方性非一様性による渦拡散率の修正を行う。これらの成果は乱流モデリングのさらなる発展に有用であると期待される。

Outline of Final Research Achievements

Non-local properties of scalar flux were analyzed using numerical simulation and a model of the non-local eddy diffusivity was proposed using turbulence theory to improve the eddy diffusivity model for scalar transport. Direct numerical simulation of homogeneous isotropic turbulence with inhomogeneous mean scalar was performed to clarify spatial and temporal non-local effects of the mean scalar gradient on the turbulent scalar flux. A form of the non-local eddy diffusivity expressed by two-point velocity correlation was obtained using turbulence statistical theory and was validated using numerical data.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

乱流輸送の非局所性は大気境界層などの気象分野では着目されてきたが、多くの分野の実用的な乱流計算では簡単のため局所的なモデルが用いられてきた。近年機械学習などの大量のデータを用いたモデル手法の進展にともない、乱流の非局所的なモデル化が再認識されている。単に経験的なモデルを立てるのではなく、乱流統計理論の知見を生かし系統的なモデルを導出し数値計算で実証することは、乱流研究の進展に対して重要な役割を果たす。

Research Products

• [Journal Article] Nonlocal eddy diffusivity for turbulent scalar flux (2023)
  • Author(s): 半場 藤弘
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 75 Issue: 1 Pages: 5-9
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.75.5
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] Validation of helicity subgrid-scale model (2023)
  • Author(s): 横井 喜充、パブロ ミニーニ
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 75 Issue: 1 Pages: 11-14
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.75.11
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Spectral distribution and dissipation of turbulent helicity in rotating channel flow (2023)
  • Author(s): 堀江 真惟人、半場 藤弘
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 75 Issue: 1 Pages: 15-18
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.75.15
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] A RANS model for shock/turbulence interaction (2023)
  • Author(s): 中村 元紀、半場 藤弘
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 75 Issue: 1 Pages: 19-23
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.75.19
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] Evaluation for the models of turbulent-diffusion term due to pressure-vorticity correlation in the Ekman boundary layer (2023)
  • Author(s): 小山 省司
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 75 Issue: 1 Pages: 25-29
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.75.25
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2023-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] Scale-space energy density and inhomogeneity in turbulent channel flow (2022)
  • Author(s): 半場 藤弘
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 74 Issue: 1 Pages: 11-15
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.74.11
  • NAID: 130008163576
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2022-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] Production, transport and dissipation of turbulent helicity in rotating channel flow (2022)
  • Author(s): 堀江 真惟人、半場 藤弘
  • Journal Title: SEISAN KENKYU Volume: 74 Issue: 1 Pages: 5-10
  • DOI: 10.11188/seisankenkyu.74.5
  • NAID: 130008163608
  • ISSN: 0037-105X, 1881-2058
  • Year and Date: 2022-02-01
  • Open Access
• [Journal Article] Analysis and modelling of non-local eddy diffusivity for turbulent scalar flux (2022)
  • Author(s): Hamba Fujihiro
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 950
  • DOI: 10.1017/jfm.2022.842
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scale-similar structures of homogeneous isotropic non-mirror-symmetric turbulence based on the Lagrangian closure theory (2021)
  • Author(s): Inagaki Kazuhiro
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 926
  • DOI: 10.1017/jfm.2021.708
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Scale-space energy density for inhomogeneous turbulence based on filtered velocities (2021)
  • Author(s): Hamba Fujihiro
  • Journal Title: Journal of Fluid Mechanics Volume: 931
  • DOI: 10.1017/jfm.2021.1000
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 非一様乱流におけるフィルター平均速度相関とエネルギー密度 (2021)
  • Author(s): 半場 藤弘
  • Journal Title: 生産研究 Volume: 73 Pages: 5-9
  • NAID: 130007986042
  • Open Access
• [Journal Article] エクマン境界層における乱流ヘリシティの予測とレイノルズ応力の評価 (2021)
  • Author(s): 小山 省司
  • Journal Title: 生産研究 Volume: 73 Pages: 23-28
  • Open Access
• [Journal Article] Lagrange応答関数における鏡映対称性の破れの効果 (2021)
  • Author(s): 稲垣 和寛
  • Journal Title: 生産研究 Volume: 73 Pages: 11-15
  • Open Access
• [Journal Article] 壁垂直軸周りの回転を与えたチャネル乱流における乱流ヘリシティの生成と輸送 (2021)
  • Author(s): 堀江 真惟人、半場 藤弘
  • Journal Title: 生産研究 Volume: 73 Pages: 17-21
  • NAID: 130007986047
  • Open Access
• [Journal Article] Role of various scale-similarity models in stabilized mixed subgrid-scale model (2020)
  • Author(s): Inagaki Kazuhiro、Kobayashi Hiromichi
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 32 Issue: 7 Pages: 075108-075108
  • DOI: 10.1063/5.0012559
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 応答関数を用いた乱流の非局所渦拡散率の解析 (2023)
  • Author(s): 半場藤弘
  • Organizer: 日本物理学会2023年春季大会
• [Presentation] Scale-space energy density and inhomogeneous effect in turbulent channel flow (2022)
  • Author(s): F. Hamba
  • Organizer: 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Production and transport of turbulent helicity in wall-normal rotating channel flow (2022)
  • Author(s): M. Horie, F .Hamba
  • Organizer: 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 乱流の非局所渦拡散率の解析とモデリング (2022)
  • Author(s): 半場藤弘
  • Organizer: 第36回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 回転チャネル流のLESによる乱流ヘリシティの解析 (2022)
  • Author(s): 堀江真惟人,半場藤弘
  • Organizer: 日本物理学会第77回年次大会
• [Presentation] フィルター平均速度を用いたスケール空間エネルギー密度 (2021)
  • Author(s): 半場藤弘
  • Organizer: 日本流体力学会年会2021
• [Presentation] 回転チャネル流における乱流ヘリシティの生成輸送と粘性散逸 (2021)
  • Author(s): 堀江真惟人,半場藤弘
  • Organizer: 第35回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 一様乱流におけるヘリシティが相似則に及ぼす効果について (2020)
  • Author(s): 稲垣和寛
  • Organizer: 日本物理学会2020年秋季大会
• [Presentation] フィルター平均速度相関を用いた非一様乱流の定式化の試み (2020)
  • Author(s): 半場藤弘
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 壁垂直軸周りの回転を与えたチャネル乱流における乱流ヘリシティの生成と輸送 (2020)
  • Author(s): 堀江真惟人,半場藤弘
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] 安定化混合モデルにおけるSGS乱流エネルギーの代数表現の試行 (2020)
  • Author(s): 稲垣和寛,小林宏充
  • Organizer: 第34回数値流体力学シンポジウム
• [Remarks] 東京大学 生産技術研究所 半場研究室 研究課題
  • URL: http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~hamba/research.html
• [Remarks] 東京大学 生産技術研究所 半場研究室 研究内容
  • URL: http://www.iis.u-tokyo.ac.jp/~hamba/research.html