らせん渦構造効果に着目した汎用乱流モデル開発と制御への展開

• Project/Area Number: 22KJ2660
• Project/Area Number (Other): 21J00580 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Doshisha University (2023); Keio University (2021-2022)
• Principal Investigator: 稲垣 和寛 同志社大学, 理工学部, 助教
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥3,640,000 (Direct Cost: ¥2,800,000、Indirect Cost: ¥840,000); Fiscal Year 2023: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2022: ¥1,170,000 (Direct Cost: ¥900,000、Indirect Cost: ¥270,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
• Keywords: 乱流 / 乱流モデリング / Reynolds平均モデル / サブグリッドスケールモデル / ヘリシティ

Outline of Research at the Start

継続課題のため、記入しない。

Outline of Annual Research Achievements

本研究はらせん渦構造に着目した乱流のモデリングと制御への展開を目的とした．本年度は，昨年度までの成果である，サブグリッドスケール乱流モデルにおける非等方性の効果に関して国際会議で発表し，論文を出版した．また，より幾何的に単純な系における回転運動と乱流の相互作用について研究を遂行した．対象とした系は独立に回転する同軸二重円筒の摩擦により駆動される円筒間の流れ（Taylor-Couette流れ，TC流れ）である．特に内外円筒が同方向に回転する場合，高Reynlds数において境界層とバルクとがともに乱流化し，かつ遠心力不安定性に起因する秩序的な渦構造（Taylor渦）が消失することが知られる．したがって，回転や流れの曲率の効果を伴う乱流の性質を理解する上で基礎的な実験装置となっている．
TC流れでは，バルク付近で平均の角運動量が一定となる特徴的な平均速度分布が形成される．本研究では，角運動量一定を実現するReynolds平均的乱流モデルの開発を試みた．その結果，乱流応力の輸送方程式における移流項に由来する流線曲率の効果が平均角運動量分布の形成に不可欠であることが明らかになった．本成果は国内学会2件にて報告した他，2024年度開催の国際会議にて発表予定である．また，本成果を汎用的な乱流モデルに拡張するため，乱流応力テンソルの共変性(covariance)を保持するモデル表現の開発を行った．本成果をまとめた論文を現在執筆中である．
本年度の成果は，らせん渦構造や制御への展開に対する基礎に位置づけられるものである．本成果により，回転運動とらせん運動それぞれによる効果を乱流応力輸送の観点から明確に分離できることが明らかとなった．さらに，曲率と回転の効果に関して共変性を通じて物理的に客観的な議論が可能となった．これは，回転や流れの曲率の効果を乱流制御へ応用する際の物理的解釈を与えるものとなる．

Research Products

• [Journal Article] Analysis of anisotropic subgrid-scale stress for coarse large-eddy simulation (2023)
  • Author(s): Inagaki Kazuhiro、Kobayashi Hiromichi
  • Journal Title: Physical Review Fluids Volume: 8 Issue: 10 Pages: 104603-104603
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.8.104603
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Transport and modeling of subgrid-scale turbulent energy in channel flows (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Inagaki and Hiromichi Kobayashi
  • Journal Title: AIP Advances Volume: 12 Issue: 4
  • DOI: 10.1063/5.0083398
  • 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
• [Presentation] Importance of anisotropic subgrid-scale stress in large-eddy simulation of turbulent channel flows (2023)
  • Author(s): Kazuhiro Inagaki and Hiromichi Kobayashi
  • Organizer: 18th European Turbulence Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Taylor--Couette 乱流におけるReynolds平均モデルの検証 (2023)
  • Author(s): 稲垣和寛・堀本康文
  • Organizer: 日本流体力学会年会2023
• [Presentation] Taylor--Couette流れにおける乱流モデルを用いた平均速度分布の予測 (2023)
  • Author(s): 稲垣和寛・堀本康文
  • Organizer: 第37回数値流体力学シンポジウム
• [Presentation] Investigation of subgrid-scale turbulent kinetic energy in channel flows (2022)
  • Author(s): Kazuhiro Inagaki and Hiromichi Kobayashi
  • Organizer: 12th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チャネル乱流における非渦粘性型サブグリッドスケール応力のReynolds 応力収支に与える効果 (2022)
  • Author(s): 稲垣和寛・小林宏充
  • Organizer: 日本物理学会2022 年秋季大会
• [Presentation] 渦粘性モデルが適用できない粗い格子におけるLES の開発に向けて (2022)
  • Author(s): 稲垣和寛・小林宏充
  • Organizer: 日本流体力学会年会2022
• [Presentation] Scale-similar analysis on maximally helical homogeneous turbulence (2021)
  • Author(s): Kazuhiro Inagaki
  • Organizer: The 25th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] チャネル乱流におけるSGS乱流エネルギーのモデリングに関する検討 (2021)
  • Author(s): 稲垣和寛・小林宏充
  • Organizer: 日本流体力学会年会2021