2014 Fiscal Year Annual Research Report
環状流路内の亜臨界遷移流れの大規模直接数値解析：現象解明から熱交換器応用まで
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14J07477
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
石田 貴大 東京理科大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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2014-04-25 – 2017-03-31
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| Keywords | 直接数値解析 / 環状流 / 亜臨界遷移 / 大規模乱流構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は直接数値解析により世界最大規模の解析を実現し，実験により実証することで環状流の遷移域における乱流現象及び乱流構造の解明を目的としている．学術的には臨界レイノルズ数の決定および遷移現象の統一を行う．また，工学的には二重円管内流れで熱伝達を考慮し，現象解明という側面から近年の高効率・小型化に対応し得る熱交換器への応用を目指して研究課題に取り組んでいる．
今年度は環状流のＤＮＳ（直接数値シミュレーション）コードの開発に取り組み，高精度のＤＮＳコードの開発に成功した．同時に熱伝達解析のためのコードも開発し，環状流のＤＮＳコードに組み込んだ．また，環状流の実験装置の製作が完了し，後述の予備実験を実施した．以上のように，研究を遂行する上での解析コード及び実験装置を初年度内に完遂することができた．
ＤＮＳでは，スーパーコンピュータを用いて大規模計算を行った．その結果，遷移域特有の局在化した間欠構造が発生することを発見した．この遷移構造は，円筒比（内円筒半径／外円筒半径）が大きい二重円管で平行平板間ポアズイユ流れにおいて現れる，スパン方向二次流れを伴う乱流縞構造と類似し，円筒比の小さい場合では円管内流れで見られる乱流パフに類似した構造であることが分かった．これら遷移構造が発生するパラメータ域で各種統計量などを用いて比較することで相違点を明らかにし，中間領域の円筒比を解析することで縞構造からパフ構造へと変化する円筒比とレイノルズ数の目安をつけることができた．
可視化実験では，レイノルズ数依存性による流れの状態の変化を調査した．流路広域の可視化が行えていないため，観測方法・装置に残る課題を今後改善していく必要がある．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究実施の概要にて詳細を既述したように，申請時の研究計画よりも早い進度で研究を遂行できた．初年度中に数値解析コード及び実験装置の製作に着手し，研究遂行の上で基盤となる準備を完了させることができた．円筒比依存性の調査を行うことで，遷移現象を発見した．また，早い段階で結果を得ることができたことから，年度末には一カ月半ほどフランスの研究機関に訪問研究員として滞在することで，現在までに得られている結果を議論し今後の研究の方向性を定め，外部研究者との交流を深めた．これにより順調に研究は進行していると判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度において得られた結果を用いて遷移形態変移の理論構築のため，乱流構造発生・維持・変化のメカニズム解明に務め，熱伝達解析にも取り組む．特に，円筒比が小さい場合の円管内乱流パフとの類似性の調査を行う．また，円筒比によって大規模乱流構造が変化する要因を明らかにする．初年度に滞在したフランスの研究者との議論を密に行い，積極的に国際学会にも参加することで成果を広く公知する．同時に学術論文にて投稿発表を行う．
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