大容量直接シミュレーションデータベースによる壁近傍乱流構造の動的挙動に関する研究

1993 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 05240201
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 黒田 明慈 北海道大学, 工学部, 助教授 (90202051)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 工藤 一彦 北海道大学, 工学部, 助教授 (40142690) ; 谷口 博 北海道大学, 工学部, 教授 (60001161)
• Keywords: 乱流構造 / 乱流モデル / 直接数値シミュレーション / 壁面乱流 / 二次元チャネル

Research Abstract

二次元チャネル内乱流の直接数値シミュレーションを行い,これより速度,圧力,乱流応力等の等値面を可視化し,その時空間的挙動を動画として記録するシステムを構築した。本システムでは,場の時間発展を観察する際には、視点を下流方向に一定速度で移動させることにより,着目した構造の変化を長時間にわたって追跡することが可能となっている。
本システムを用いてΔt^+=357にわたる動画を作成し,観察した結果以下のような知見を得た。
1.渦構造とイジェクション,スイープの発生領域は,空間的に近接して存在し、これらの領域は空間的に間欠性をもって分布している。この運動が活発な(活性化された)領域においては,複数の渦構造が連続的に発生し,活性化された状態が数百ν/u_τ^2以上にわたって継続する。
2.渦構造,イジェクション,スイープの内ではイジェクションがもっとも安定して存在し続け,観察時間中において移動・変形を繰り返すが,不活性領域に新たにイジェクションが発生することはまれである。また,渦構造の発達にともなってイジェクション領域が拡大することはあっても,新たに発生することはなく,むしろイジェクション領域の下流部において渦の発生が確認されることが多く観察された。
3.渦構造発生時の回転軸方向は流れ方向からスパン方向の広い角度に分布しており,発展時における流れ方向への伸張を経て縦渦の形態をとる。
また,乱流構造の波数依存性を調べた結果,各種の構造の流れ方向,スパン方向の波長がそれぞれ150ν/u_τ,50/u_τ程度以上の成分が主要であることから,このような低波数成分のみによる構造論的モデル化が妥当であることを見いだした。