2018 Fiscal Year Annual Research Report
ニュートン・非ニュートン流体回転平面クエット流れの安定性・乱流構造の解明
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17J04115
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
河田 卓也 東京理科大学, 理工学部, 特別研究員(PD)
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| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 壁乱流 / 粘弾性流体 / 渦構造の非線形相互干渉 / 流れの不安定性 / 直接数値シミュレーション / ステレオPIV計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成３０年度は当初の研究計画通り、スウェーデン王立工科大学（KTH）にて行う粘弾性流体回転平面クエット流れの可視化実験・ステレオPIV計測の実験を完了し、それと並行してニュートン流体壁乱流におけるスケール間相互干渉に関する直接数値シミュレーションを進める事を目標として研究活動を行なった。
粘弾性流体回転平面クエット流の実験に関しては、KTH保有の実験施設を用いて界面活性剤濃度50、100、200 ppmにおいて可能な限り広いレイノルズ数・回転数領域に渡って流れ場に現れるロールセル構造の可視化実験を行い、その中で特徴的な構造が現れたいくつかの回転数条件下においてステレオPIV計測による詳細な速度場計測を行った。計測したデータが膨大であることから現在もデータの解析中であるが、これまでの先行研究で指摘されている様に弾性的な性質の付加による流れの安定化効果が見られた他、界面活性剤濃度100 ppm以上においては低レイノルズ数・低回転数条件下において粘弾性流体特有の流れの不安定化も見られ、今後更なる実験データの解析と構成応力方程式モデルを用いた数値シミュレーション結果との比較等により、粘弾性流体の流動現象について重要な知見が得られることが期待できる。
また、ニュートン流体壁乱流におけるスケール間相互干渉に関する解析に関しては、前年度の前年度の研究活動において確立したスケール間のレイノルズ応力輸送を調べる手法を用いて平面クエット乱流の実験データを詳しく解析し、乱流エネルギーに関しては概ね大スケールから小スケールへの順エネルギーカスケードが生じているが、レイノルズ剪断応力の輸送に注目すると流れ場の大部分に渡って小スケール側から大スケール側への輸送が生じている事を明らかにした。同研究成果はいくつかの国内外会議における口頭発表と英文学術誌における論文として発表されている。
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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
ニュートン流体壁乱流のスケール間相互干渉に関する解析においては前年度に引き続いて実験結果や数値シミュレーション結果を用いた解析を進め、レイノルズ応力のスケール間輸送と空間輸送が流れ場の乱流構造維持に果たす役割を明らかにした。この研究成果は国内外の学会における口頭発表や英文学術誌での論文掲載という形での発表に至っている。粘弾性流体回転平面クエット流の実験に関しても、当初の予定通りスウェーデン王立工科大学にて可視化実験とステレオPIVによる速度場計測を完了し、粘弾性による流れの安定化現象だけでなく、粘弾性特有の不安定化現象も確認する等、当初の予想と異なる興味深い結果も得ている。こうした状況を鑑みると、本研究は概ね計画通りに進展中であると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度の研究活動では、前年度の研究活動にてスウェーデン王立工科大学(KTH)にて行なった粘弾性回転平面クエット流れの実験データを詳しく解析し、対応した数値シミュレーションの結果と比較する事で、既存の粘弾性構成方程式モデルの検証を行う。ステレオPIV計測により取得した時系列の粒子画像から、流体の加速度を求める方法を構築し、加速度と速度の相関から粘弾性添加物と流体運動間のエネルギー交換を近似的に求める方法の確立を目指す。KTHでの実験において得られた計測結果では、Re=500程度のニュートン流体であれば乱流に遷移している条件下においても、粘弾性流体の場合には乱流特有の小規模の乱雑な渦構造が見られず大規模なストリーク構造のみが生じ、この構造は非常に低いレイノルズ数においても存在した。こうした実験結果に基づき、低レイノルズ数において弾性力に起因する不安定性により生じる弾性乱流と抵抗低減乱流との関連を調べる。また、ニュートン流体の平面クエット乱流に関する直接数値シミュレーションも引き続き行い、本年度の研究活動では、さらなる大規模計算により高レイノルズ数における壁面近傍の小規模渦構造と流路中央の大規模構造の相互干渉の役割について調べる。また、同条件下で熱伝達を考慮した数値計算も行い、乱流による熱の拡散が起きているスケールや、熱伝達におけるスケール間の非線形相互干渉の役割についても詳しく調べる。
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