2018 Fiscal Year Research-status Report
複合外力を受ける速度・温度非相似乱流場の熱伝達構造の解明と現象モデルの再構築
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17K06195
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
服部 博文 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 技術職員 (30467352)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 乱流境界層 / 乱流熱伝達 / 複合外力 / 壁面温度境界条件変化 / 直接数値シミュレーション / 乱流熱伝達モデル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，浮力や圧力勾配等が重畳するために複合外力を受け，速度境界層と温度境界層が非相似乱流場となった時の乱流熱伝達構造や統計量の変化を，高精度数値解法である直接数値シミュレーション（DNS）を用いて解明することと，その複合外力を受ける非相似乱流熱伝達場を予測する現象モデルを再構築する研究である．平成30年度は，主に次の6つのテーマについて研究を行い，それぞれについて以下の成果を得た．
（１）流路途中で加熱壁を断熱することによって壁面熱的境界条件を急激に変化させた逆圧力勾配を伴う共存対流乱流境界層における特異な分布を形成する壁面近傍の乱流熱伝達構造について，その発生原因を明らかにした．（２）自由せん断乱流場と境界層が複合する壁面噴流乱流場の速度場に付随する，温度助走区間を伴う温度乱流境界層の乱流熱伝達構造を明らかにした．また，計算領域による統計量への影響も調べた．（３）流れ方向と壁面垂直方向の両方に浮力が作用する乱流熱伝達場である，傾斜した加熱平板上を通過する共存対流乱流境界層について，系統的に平板角度を変化させることによって生じる上昇流と下降流の基本乱流統計量の取得と乱流熱伝達構造解析を行い，一方向にしか浮力が作用しない水平平板及び垂直平板上の共存対流熱伝達場と比較して，その乱流熱伝達場における統計量と構造の変化の原因を明らかにした．（４）温度差がある流体が混合するT型温度混合流路内の温度混合について，流路形状による曲りの効果と，流路の一壁面を加熱することで発生する浮力の効果の影響を明らかにした．（５）速度と温度乱流境界層の疑似的な助走区間を再現し，助走区間における乱流境界層の形成過程について調べた．（６）複雑な乱流熱伝達場について，種々の乱流熱伝達モデルを用いてRANSおよびLESでの予測解析を行うことによって乱流熱伝達モデルの改良指針を得た．
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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
平成30年度は，研究計画にある「複合外力と非相似場を伴う乱流境界層熱伝達のシミュレーション」について，（１）流路途中で加熱壁を断熱することによって壁面熱的境界条件を急激に変化させた逆圧力勾配を伴う共存対流乱流境界層，（２）壁面噴流乱流場の速度場に付随する，温度助走区間を伴う温度乱流境界層，（３）傾斜した加熱平板上を通過する上昇流もしくは下降流を伴う共存対流乱流境界層，（４）加熱壁面を持ち浮力が影響するT型温度混合流路内の温度混合現象，（５）疑似的な助走区間を再現した速度と温度乱流境界層のシミュレーションを行い，それぞれについて，高次統計量を含めた基本乱流統計量を取得することに成功した．次に「高熱伝達条件の探求」として，各シミュレーション結果から算出された壁面摩擦係数と熱伝達率を比較検討した．次に「RANS モデルとLES モデルの評価」と「現象予測数理モデルの構築」では，DNSを行った複雑な乱流熱伝達場にて，RANSとLESにおける種々の乱流熱伝達モデルを用いて予測解析を行うことによって得たモデルの改良指針を基に，今年度はRANSの低レイノルズ型マルチタイムスケール乱流熱伝達モデルをまとめることができた．また，この低レイノルズ型モデルを，実用計算に対応させるために，より計算格子点数を節約できる高レイノルズ数型に改良するため，高レイノルズ型における壁関数を用いた予測評価を行った．これらの理由から，おおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究計画がおおむね順調に進展していることから，今後の研究の推進方策として，研究計画にある「複合外力と非相似場を伴う乱流境界層熱伝達場のシミュレーション」については，様々な解析手法を用いて，さらに詳細な乱流熱伝達構造を調査することとする．また「RANS モデルとLES モデルの評価」については，引き続き様々な複雑乱流熱伝達場におけるRANSモデルとLESモデルの予測評価を行う．「現象予測数理モデルの構築」については，新たなマルチタイムスケール乱流熱伝達モデルを構築したが，このモデルは厳密な壁面境界条件を設定できるモデル，すなわち「低レイノルズ形乱流モデル」である．実用的な乱流熱伝達計算では，計算格子点数が節約できる仮想的な壁面境界条件を用いる「高レイノルズ形乱流モデル」がまだまだ有意であり，多く用いられている．そのため，現象予測数理モデルの構築に関する研究の推進方策として，最終年度も引き続き，構築したマルチタイムスケール乱流熱伝達モデルを「高レイノルズ形乱流モデル」に適用させるべく改良を施すことにする．その場合，仮想的な壁面境界条件が本研究の一主題である「複合外力を受ける速度・温度非相似乱流場」においてどのように変化するのかを調査する必要があるため，これまでに行ったシミュレーション結果からその変化を調べ，「高レイノルズ形乱流モデル」の構築研究へと繋げる．
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じた主な理由は，旅費の支出が少なかったためである．この次年度使用額については，最終成果を積極的に発表するために，国際，国内会議の旅費とそれらの参加費に充てる．また，研究期間中に実行した大規模計算により算出されたデータを保管する大容量ストレージサーバーに不足が生じているため，ハードディスクを大容量に交換するなど，サーバー増強の購入予算に充てる．
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Research Products
(19 results)
