2019 Fiscal Year Research-status Report
空間平均理論による粗面乱流輸送機構の解明と壁面摩擦抵抗の予測に向けての革新的研究
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17K14591
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
桑田 祐丞 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (40772851)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 格子ボルツマン法 / 粗面乱流 / 直接数値解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は，前年度に対象とした粗面パラメータである根二乗粗さ高さ・ひずみ度に加えて，粗さ要素の勾配に関する量である有効勾配の影響を調査した．粗さの高さパラメータを固定して，ひずみ度と有効勾配を変えた粗面を数値的に作成し，格子ボルツマン法を用いた直接的な乱流数値解析を行った．得られた解析結果を用いて，有効勾配・ひずみ度が粗さ関数に与える影響を調査するとともに，粗さ関数の増大メカニズムを空間平均・レイノルズ平均理論を用いて明らかにした．その結果，粗さ関数はひずみ度が正の粗面で大きく，有効勾配の増加とともに増加することが明らかになった．また，ひずみ度の影響の大きさは有効勾配と密接に関連しており，有効勾配が大きさ粗面において，ひずみ度の影響が大きく表れることが明らかになった．また，粗さ関数の増大メカニズムを調査した結果，粗さ関数は乱れや分散の影響よりも，粗面要素に生じる粘性抵抗と圧力抵抗の大きさに強く依存することが明らかになった．特に，有効勾配が大きい粗面では，圧力抵抗が最も支配的となるが，ひずみ度が大きくなるにつれて粘性抵抗と圧力抵抗のどちらの寄与も増大することが明らかになった．また，本年度では，有効勾配やひずみ度が異なる３次元ランダム粗面において，これまでに開発した空間平均・レイノルズ平均（2重平均）乱流モデルに立脚した摩擦抵抗予測手法の有効性の評価を行った．開発モデルによって得られた予測結果は，実験データの傾向を非常によく再現しており，開発モデルは有効勾配の影響を精度よく捉えられることが確認された．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，当初に予定していた粗面パラメータ（ひずみ度や根二乗平均高さ）の調査に加えて，有効勾配の影響の調査を行うことで，より多くの特徴をもつ粗面に関する調査をすることができた．また，粗面の流動抵抗を予測するために開発モデルした空間・レイノルズ平均粗面乱流モデルの妥当性検証として，有効勾配の異なる粗面を用いた実験と比較して，3次元ランダム粗面における有効性も確認することができた．これらの内容は当初の予定以上の結果であり，当初の計画以上に進展していると言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は，これまでに開発モデルした空間・レイノルズ平均粗面乱流モデルの妥当性検証のさらなる検証と行うために，ことなる構造を持つ3次元不規則粗面を用いた実験と比較することに加えて，様々なレイノルズ数域でのモデルの妥当性検証を行う．また，これまでに蓄積した直接数値解析データをもとに，ひずみ度や有効勾配の影響を加味した代数的な摩擦係数予測式の検討を行う．
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