2017 Fiscal Year Research-status Report
渦の遷移プロセスと渦の発生を予測するトポロジー解析技術の開発
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16K06094
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Research Institution | Aichi Institute of Technology |
Principal Investigator |
中山 雄行 愛知工業大学, 工学部, 准教授 (50440631)
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Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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Keywords | 渦発生 / swirlity / 旋回平面予測 / 階層構造 |
Outline of Annual Research Achievements |
前年度に開発した渦流解析を元に一様等方性乱流における流れ、またこのスケール分解・各階層流れに着目し、それぞれにおける渦発生時のswirlityの特性と渦発生のキーとなる剪断流れを明らかにした。 本渦流解析では、swirlity等のトポロジーの詳細に関する物理量、予測した旋回平面に関わる座標系における速度勾配テンソル成分等の時系列変化を追跡し、昨年度では、渦流れの発生において必要条件となる特定方向の剪断流れが存在することを示したが、今年度では各速度勾配テンソル成分の時間変化とswirlityの変化との相関を分析した。これにより、渦発生のトポロジー変化において、この剪断に関する速度勾配テンソル成分の時間変化(時間に関する偏導関数)が非常に高い相関を有することが示された。同時に、渦軸の方向を定める速度勾配テンソル・渦度成分(予測された旋回平面に平行な渦度成分)の時間変化はswirlityの変化との相関は低く、渦発生時の渦軸の予測も可能であることが示唆された。 一様等方性減衰乱流は擬スペクトル法によるDNS(Direct Numerical Simulation)にて解析を行っているが、フーリエ係数に関するバンドパスフィルタを用いて流れを大中小スケールの3つにスケール分解し、各スケールにおいて上記解析を行い、swirlityは流れのスケール分解・階層に依らず渦発生時には特徴のある挙動、即ち渦度等が滑らかに変化する一方でswirlityはsin関数上になる特性を有することを示した。また、渦発生に必要な剪断流れ成分との相関、速度勾配テンソルの特性についても前述したものと同様な性質を有していることが示された。 更に、吸込み渦が最も渦が発達しやすく、全周吸込み流れを有する渦は効果的な渦の伸長(vortex stretching)を受けていることを示した。
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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
計画していた解析はほぼ予定通り進んでおり、渦のタイプによる渦発生後の発達の相違や渦の伸長(vortex stretching)の影響も加えて分析することができた。 一方で、予定していたレイノルズ数を変化させた解析、また予測旋回平面上の周方向速度の対称性の分析を進めることができなかった。これは、研究の進捗に応じ、渦のトリガーとなる剪断流れの検証となる統計的な解析、また渦発生における半径方向流れの分類と影響等について解析を進めたためである。レイノルズ数の影響や周方向速度の対称性は、次章に示す今後の解析計画と併せて行う予定である。
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Strategy for Future Research Activity |
平成28年度の実施状況報告書にも記述した通り、研究実施当初は非等方性乱流における解析を検討していたが、渦発生におけるswirlityのより詳細な特性、渦発生或いは非渦流れ(非旋回流れ)を区別するswirlityの条件を調べ、かつ渦発生を支配する特定のスケール流れの有無を分析することが渦発生予測技術に貢献できると考えられるため、引き続き一様等方性乱流において渦発生とトポロジー量等の変化の関わりとメカニズムについて解析するものとする。 今後の研究では、ある領域で渦が発生するとき、その領域におけるスケール分解した各階層流れのトポロジーを同定し、渦発生と各階層流れの渦発生の有無とその相関、それぞれの旋回平面の角度の相違を解析し、階層流れのトポロジーによる渦発生の寄与について分析する。また、渦発生時におけるswirlityの時間に関する高次の微係数の時系列変化について解析し、渦発生・非渦維持を区別する条件の有無について探る。 最後に、何故swirlityのみが渦流れへのトポロジーの変化において特異な挙動を示すのか、という数理物理的特性について、予測された旋回平面上のトポロジカルな圧力ヘシアン、速度勾配テンソルの固有値と第二不変量の変化等から分析する。
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Research Products
(5 results)