2017 Fiscal Year Research-status Report
乱流カスケードの研究上ブレークスルーとなる線形モードを利用した実験的研究
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17K06150
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
松原 雅春 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (10324229)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 乱流 / 境界層 / ストリーク / ヘアピン渦 / カスケード / アンサンブル平均 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
乱流中の大きいスケールの渦のエネルギーが，その渦より小さいスケールの渦に次々と渡され，最後に粘性により熱エネルギーとして消費されるカスケードと呼ばれる現象が知られているが,その過程については十分理解されているとはいえない．乱流中のカスケードはレイノルズ応力にも関わるため乱流解明にも重要であると考えられるが，カスケードは時間的，空間的にもランダムに起こるため，実験的にカスケード過程を一つ一つ追跡することは簡単ではない．一方，近年開発された初期撹乱励起とアンサンブル平均を組み合わせた手法を用いて，秩序構造を抽出することがわかっている．この抽出法を用いて，乱流境界層中に人口励起した低周波撹乱に，さらに高い周波数の撹乱を付加することで人為的にカスケードを起こせることを試みた．
実験は回流式風洞内に設置した試験平板で行った．変動流速測定はアーム型のプローブ移動装置の先端に熱線風速計プローブを取り付けて行った．試験平板に埋め込まれた撹乱挿入用のプラグに直径1 mmの穴をあけ，そこから吹き出し・吸い込みの初期撹乱を発生させている．スピーカーに印可した電気信号は，ヘアピン渦に似た構造を励起する低周波の正弦波と，その励起されたヘアピン渦に二次元不安定性を引き起こす高周波の正弦波を合成したものである．この周期撹乱の位相に基付いて，速度変動をアンサンブル平均し，カスケード過程を抽出した．その結果，カスケードの可能性がある現象が確認された．
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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
今年度は，カスケードが観察される実験条件を調べることを主たる目的とした．カスケードが起こる条件としては，流れ方向流速分布が強い変曲型分布になる必要があるため，低周波初期撹乱は線形領域よりもはるかに大きい振幅にした．この低周波撹乱に高周波撹乱を印可してカスケードの探索を行った．高周波撹乱の周波数は低周波撹乱の周波数の5倍とした．
流速の周期変動成分の時間的変化を移流速度で流れ方向に変換し，励起させた乱れの流れ方向と壁垂直方向の分布を観察した．移流速度は壁面摩擦速度の13.5倍の速度とした．これは過去に測定した人工励起したヘアピン渦の移流速度である．乱流境界層中で励起した秩序構造とさらに高周波数撹乱を挿入したときの流速の周期変動成分の分布のどちらでも，低周波数撹乱によって励起された低速領域と高速領域が壁ごく近傍に分布していた．これは過去の実験で人工的に励起したヘアピン渦と同じ分布てあった．低周波撹乱の周波数の5倍周波数で周期平均をして，カスケード過程のひとつである局所変曲流速分布の二次不安定性が確認できるか調べた．その結果，低速領域の上に長さスケールの小さい周期的な乱れ構造が低速領域の主流側に見られた．発生位置は平均流速分布の変曲点付近であることから低周波撹乱の二次不安定性による速度変動である可能性があることがわかった．
今年度はカスケードの実験的な再現の可能性を調べることが主目的であったため，研究はおおむね順調であるといる．
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| Strategy for Future Research Activity |
カスケードと思われる現象が，人工的に励起されたものであるかについて調査を行う．具体的には様々な周波数の高周波撹乱を与え，熱戦風速計で測定した速度変動をアンサンブル平均して，カスケードの観察を試みる．とくに低周波撹乱の周波数の整数倍ではない高周波撹乱を導入し，励起した乱れの低周波変動と高周波変動の分離を試みる．この実験により観察されたカスケードが人工的に励起されたものか，判別できると考えられる．
また，低周波撹乱の周波数を低くすることにより，一次不安定性の長さスケールを大きくする．一次不安定性のスケールと高周波変動のスケールの差が大きなるため，両者の分離も容易になると考えられる．
カスケードが励起されたことを確認したのち，エネルギー輸送量などを定量し，それが低周波乱れの構造やスケールにどのように依存するかを調べる．
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| Causes of Carryover |
計画通り執行したが，端数が出たため．
実験装置の材料費の一部として使用予定．
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Research Products
(3 results)
