2017 Fiscal Year Annual Research Report
On global stability and large-scale intermittent structures in subcritical wall-turbulence transition and complex fluid flows
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16H06066
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
塚原 隆裕 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 准教授 (60516186)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 亜臨界遷移 / 壁乱流 / DNS / 乱流縞 / 粘弾性流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
亜臨界乱流遷移において局在乱流の重要性が注目されており，本研究では閉空間の壁乱流を対象として，局在乱流が縞状または帯状に持続する大規模間欠構造について直接数値計算（DNS）により調査している．本研究では，複雑化した流れ(粗面壁面・粘弾性流体・固液二相流)における大規模間欠構造のロバスト性，及び下臨界レイノルズ数(グローバル不安定性)と変化の解明を目的として，DNS解析を進めている．
本年度は，粗面平面クエット流を対象に，Navier-Stokes方程式中に粗さ要素による仮想抵抗力項を付加したシミュレーションにより，粗面上の遷移域流れが多様な流動形態を呈することを見出した．特に粗さ高さの大きい場合には，局在乱流が主流に対して垂直に（スパン方向に）一様な分布を呈し，transverse bandと名付けた．粘弾性流体の数値計算にはGiesekus粘弾性モデル構成方程式を用いて，回転系平面クエット流の解析を行い，粘弾性流体特有の非定常状態に至る過程を調査した．ワイゼンベルグ数増加に伴い，波状ロールセルが直線的ロールセルへと変形したり，さらには定常ロールセルが一定の時間周期で拍動し始める様子を捉えることに成功した．各現象それぞれ，粘弾性流体乱流で観察される乱流抑制効果または弾性乱流の解明につながる発見である．また，乱流縞への影響も調査が進んでいる．固液二相流については，2-wayカップリングによるDNSコードの開発を行い，重い分散性粒子を含むと乱流縞の規則的パターンが崩壊する様子を捉えることに成功した．つまり，固液二相流における乱流縞遷移過程のロバスト性を調査する範囲を特定できた．水路（環状流路と粘弾性流体回転クエット流）による観察実験も開始し，DNSの結果を定性的に裏付ける傾向が確認できている．以上の結果は国内外の学会にて報告し，また英文学術雑誌に論文を投稿中である．
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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
各種複雑流についてDNS解析がおおむね順調に進んでおり，英文学術雑誌での論文発表の点では，粗面平面クエット流について1件掲載済みと1件査読中，粘弾性流体について2件査読中の投稿論文が査読中である．固液二相流については，2018年度に国際会議口頭発表を予定している．
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| Strategy for Future Research Activity |
粗面壁面・粘弾性流体・固液二相流の各解析対象について，それぞれ大学院生の協力も得ながら進めていく．これらの結果に基づき，包括的な議論にも展開していきたい．また，人工ニューラルネットワークや畳込みニューラルネットワークなどの機械学習を取り入れて，パターン形成の特徴抽出にも挑みたい．
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