2020 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative study toward prediction of friction drag at rough surfaces based on the investigation of the turbulent transport mechanisms by the volume averaging theory
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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 | 粗面乱流 / 直接数値解析 / 乱流モデル / 格子ボルツマン法 / 空間平均理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，粗さ表面の接する流動現象の解明とその予測を目的として，粗さ表面の直接的な乱流解析と空間・時間平均理論に立脚した乱流モデルの開発を行った．直接数値解析として，格子ボルツマン法を用いたプログラムを複数GPUが搭載されたスーパーコンピュータによって実行した．本調査では，ひずみ度・有効勾配・根2乗粗さをはじめとした粗さの特徴パラメータが乱流摩擦抵抗に与える影響を調査するとともに，粗さが乱流輸送に与える影響の調査や，粗さが摩擦抵抗を増大させるメカニズムを統計理論によって明らかにした．
これらの詳細解析のデータを用いて，空間平均理論に立脚した粗面乱流モデルを開発した．本モデルは，粗面構造を格子解像しない代わりとして，粗面による抗力等の影響をモデル化した空間平均方程式を解くことで，粗面近傍の巨視的な流動場を解析することのできる手法となっており，粗面上の乱流輸送現象を非常に高い精度で再現可能であることを示した．
また，空間平均モデルの計算コストを大幅に削減した工学的なモデルの開発を行った．このモデルは，空間平均に加えて，時間平均を施した方程式を解くモデルとなっており，乱れによる応力に関して乱流モデルを適用したモデルである．本モデルは，粗さによる乱れの減衰過程，乱れ成分の再分配過程を詳細にモデル化しており，計算コストを抑えた定常計算でありながら，粗面近傍の乱流を高い精度で再現することが可能であることを示した．
このように，本研究では，詳細な乱流解析による現象解明に加えて，空間平均方程式に立脚した空間平均粗面モデル，時間・空間平均方程式を基にした2重平均モデルを開発し，粗面乱流を少ない計算コストで解析することを可能とした．
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