小スケールにおける乱流生成を伴う流れのLESの研究

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10650162
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 堀内 潔 東京工業大学, 工学部, 助教授 (10173626)
• Keywords: Large-eddy simulation (LES) / DNS / Subgrid-scaleエネルギー / Forward scatter / Backward scatter / Vortex sheet / Vortex tube / 乱流維持機構

Research Abstract

本年度は、Large-eddy simulation (LES)における、計算格子で解像されたスケール(Gridscale)とそれ以下のスケール(Subgrid scale(SGS))のエネルギー伝達の解析を、一様等方性乱流・チャネル流・混合層において行った.この目的のため、これらの流れ場のDirect-numerical simulation(DNS)データを生成した.計算は3次元で行われ、格子点数は最大256^3におよんだ.これらのDNSデータに一様方向のGaussianフィルターを施したLESデータを生成し、Grid scaleとSGS間のエネルギー伝達を表すSGS生成項Pを算出した.Pが正値の場合、伝達が順方向(Forward scatter)となり、Pが負値の場合、伝達が逆方向(Backwardscatter)となる.対象とした乱流場中には、秩序構造が存在し、乱流エネルギーの生成は、主にこの秩序構造に沿って起きるが、フィルターの特性幅に依存して、この秩序構造の解像度が変わる.ここでは、秩序構造がLESの格子で十分に解像される場合と、解像されない、SGSエネルギー生成が解像格子内の小スケールで起きる場合の比較を行った.秩序構造には、Vortex sheet状のものとVortex tube状のものが存在するが、この分類を行うために、圧力のHessian項の固有値による分類法(λ2法)を適用した.一様等方性乱流においては、Forward scatterは正値のλ2との相関が高く、Sheet状の構造を示すことがわかった.チャネル流においては、Forward scatterは壁に垂直なSheetを形成して小スケールの渦を生成するのにたいし、Backward scatterはTubeとして分類される縦渦を形成することを示した.これにたいし、混合層においては、Forward scatterは負値のλ2との相関が高く、主にTube状の構造を示すことを示し、流れ場による相違点を明らかにした.これらの結果は、検討した範囲内では、フィルターの特性幅に定性的には依存しないこと、ならびに、SGSモデルの一つであるスケール相似則モデルを用いることにより、SGS生成項が高精度に近似できることを示した.さらに、チャネル流において、秩序構造と乱流の維持機構との相関を明らかにした.

Research Products

• [Publications] K.Horiuti: "Assessment of the SGS generalized scale-similarity model" Proc.IUTAM/IUGG Symposium “Developments in Geophysical Turbulence",Baulder. Colorade. June 1998. 42-44 (1998)
• [Publications] 堀内 潔: "Subgrid-scaleエネルギーの生成機構について" 日本流体力学会年会'98,講演論文集. 189-190 (1998)
• [Publications] 堀内 潔: "チャネル流における非対称ストリーク構造" 第30回流体力学講演会講演集. 309-312
• [Publications] K.Horiuti: "Asymmetric streak and subgrid-scale in channel flow energy transfer" Bulletin of the American Physical Society. Vol.43,No.9. 1977-1978 (1998)
• [Publications] 堀内 潔: "乱流構造とSubgrid-scaleエネルギー生成機構の相関" 日本流体力学会誌「ながれ」. 17巻6号. 426-431 (1998)