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2018 Fiscal Year Annual Research Report

非定常・非平衡乱流の高マッハ数・高レイノルズ数領域への新展開と応用

Research Project

Project/Area Number 18H01367
Research InstitutionNagoya University

Principal Investigator

長田 孝二  名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50274501)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 渡邉 智昭  名古屋大学, 工学研究科, 助教 (70772292)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2022-03-31
Keywords乱流 / 風洞実験 / 数値計算
Outline of Annual Research Achievements

○高レイノルズ・高マッハ数格子乱流:
昨年度に新規に設置された風洞の基本性能の評価を行い,一様性と主流乱れの大きさを評価した.格子幅50mmの乱流格子を作成し実験を行った.格子幅の100倍程度下流まで計測を行い,過去の実験結果と良好に一致することを確認した.風洞の上下で異なるサイズの格子を用いた無せん断乱流混合層の実験を行った.その結果,混合層領域では準一様等方性乱流領域よりも大きなスケールで強い間欠性が見られた.高マッハ数格子乱流に対してはコード開発と計算が終了した.今後,詳細な解析を行う.
○高マッハ数噴流の乱流/非乱流界面現象:
乱流/非乱流界面近傍の乱流場に及ぼす圧縮性の影響を明らかにした.その結果,マッハ数の増大に連れて界面層厚さが薄くなること等がわかった.また,界面層近傍では無次元散逸定数のレイノルズ数依存性がこれまで報告されている傾向とは全く異なり,非平衡なエネルギー輸送が行われていることがわかった.さらに,三次元流れにおけるTriple Decompositionの定式化とコードの作成を行い,一様等方性乱流に適用した.
○乱流/衝撃波干渉:
風洞実験において,熱線流速計と圧力センサを用いた乱流変動と壁面圧力の同時計測を行い,乱流との干渉による衝撃波の変形に関する解析を行った.その結果,変形の指標となる衝撃波背後圧力変動の分散が乱流マッハ数MTUと衝撃波マッハ数MSの関数としてMTU^2/(MS^2-1)でよく相関できることを明らかにした.また,速度多点計測を行い,乱流の特性長さの一つである積分スケールが衝撃波面の接線方向に増加することを示唆する結果が得られた.数値計算では衝撃波が層流域から乱流塊へ伝播するコードを新たに作成し計算を行った.条件を変えて計算を行い衝撃波と流れ場の可視化を行った結果,衝撃波の変形と崩壊が乱流マッハ数に強く依存する現象であることがわかった.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の計画通り,①風洞の基本性能評価,②格子乱流計測,③無せん断混合層計測,④高マッハ数噴流の解析,⑤乱流と衝撃波の干渉に関する風洞実験と数値計算,を行い,④と⑤に関しては論文として結果を公表するに至っている.③に関しては解析手法の確立も含めて興味深い新しい結果も得られたものの,テストセクション中央部で厳密な無せん断ではなかったため,格子の設計変更を行い,同様の実験を再度行う予定である.しかし,実験手法と解析手法は確立したのですぐに結果が得られることが期待される.以上を鑑み,現在までに研究はおおむね順調に進展していると判断される.

Strategy for Future Research Activity

初年度の研究は計画通りほぼ順調に行うことができたため,今後も継続的に研究を発展させる.具体的には,
①静的格子幅の変更により終末減衰過程の計測を行う.動的格子システムを設計製作し,高レイノルズ格子乱流中の乱流の非平衡性を明らかにする.また,動的格子を用いて無せん断混合層をつくり(テストセクション上半分に動的格子,下半分に静的格子を用いる),初年度に調べた低いレイノルズ数との比較を行う.特に乱流の非平衡性がどのように異なるかを調査する.
②初年度に開発した三次元流れにおけるTriple Decompositionを高マッハ数噴流に適用し,噴流の渦構造がマッハ数によってどのように変化するのか,また,圧力波の生成と伝播にどのように関連しているのか,等を明らかにする.実験においてはピストン駆動式シンセティックジェットで生成される超音速噴流の特性を粒子画像流速計(PIV)を用いて調査する.
③風洞実験においては,熱線流速計と圧力センサを用いた乱流変動と壁面圧力の同時計測により,乱流との干渉による衝撃波の変形や崩壊現象を引き続き詳細に調査する.特に,乱流によって衝撃波が変形するメカニズムの解明とそのスケーリング則を明らかにする.数値計算においては衝撃波が層流域から乱流域に伝播する計算コードの開発と計算が終了し,可視化を行った段階である.今後は衝撃波の変形と乱流場の詳細な解析を行い,定量的な考察を行う.

  • Research Products

    (15 results)

All 2019 2018

All Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Passive Scalar Mixing near Turbulent/Non-Turbulent Interface in Compressible Turbulent Boundary Layers2019

    • Author(s)
      X. Zhang, T. Watanabe and K. Nagata
    • Journal Title

      Physica Scripta

      Volume: 94 Pages: 044002

    • DOI

      10.1088/1402-4896/aafbdf

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Statistical Properties of Spherical Shock Waves Propagating through Grid Turbulence, Turbulent Cylinder Wake, and Laminar Flow2019

    • Author(s)
      K. Inokuma, T. Watanabe, K. Nagata and Y. Sakai
    • Journal Title

      Physica Scripta

      Volume: 94 Pages: 044004

    • DOI

      10.1088/1402-4896/aafde2

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Turbulent/Non-Turbulent Interfaces in Temporally-Evolving Compressible Planar Jets2018

    • Author(s)
      R. Nagata, T. Watanabe and K. Nagata
    • Journal Title

      Physics of Fluids

      Volume: 30 Pages: 105109

    • DOI

      10.1063/1.5047395

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Dual-Plane Turbulent Jets and their Non-Gaussian Velocity Fluctuations2018

    • Author(s)
      Y. Zhou, K. Nagata, Y. Sakai and T. Watanabe
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 3 Pages: 124604

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.3.124604

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Presentation] 球面衝撃波と干渉した格子乱流の速度多点計測2019

    • Author(s)
      猪熊建登,渡邉智昭,長田孝二,酒井康彦
    • Organizer
      平成 30 年度衝撃波シンポジウム
  • [Presentation] 乱流との干渉による衝撃波の変形に関する直接数値計算2019

    • Author(s)
      田中健人,渡邉智昭,長田孝二
    • Organizer
      平成 30 年度衝撃波シンポジウム
  • [Presentation] Overpressure Fluctuation behind Spherical Shock Wave Propagating in Gridgenerated Turbulence2019

    • Author(s)
      K. Inokuma, T. Watanabe, K. Nagata and Y. Sakai
    • Organizer
      AIAA SciTech Forum and Exposition
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 直接数値計算による圧縮性境界層中の乱流/非乱流界面の解析2018

    • Author(s)
      張欣羨,渡邉智昭,長田孝二
    • Organizer
      日本機械学会流体工学部門 第 20 回 複雑流体研究会
  • [Presentation] 一様等方性乱流との干渉による衝撃波の変形と衝撃波背後圧変動の関係2018

    • Author(s)
      田中健人, 渡邉智昭, 長田孝二, 佐宗章弘, 酒井康彦, 早瀬敏幸
    • Organizer
      第 50 回流体力学講演会
  • [Presentation] 円柱後流による衝撃波過剰圧の変化に関する風洞実験2018

    • Author(s)
      有賀健太,猪熊建登,渡邉智昭,長田孝二,酒井康彦
    • Organizer
      日本流体力学会 年会 2018
  • [Presentation] 超音速ピストンジェット群により形成される流れ場の可視化2018

    • Author(s)
      榊原弘之,渡邉智昭,長田孝二
    • Organizer
      第 46 回可視化情報シンポジウム
  • [Presentation] 乱流領域を伝播する衝撃波の背後圧変調2018

    • Author(s)
      猪熊建登,有賀健太,渡邉智昭,長田孝二,酒井康彦
    • Organizer
      第 56 回飛行機シンポジウム
  • [Presentation] 垂直衝撃波と局所的な乱流の干渉に関する直接数値計算2018

    • Author(s)
      田中健人,渡邉智昭,長田孝二
    • Organizer
      第 32 回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 波動を伴う乱流現象 ー成層乱流と圧縮性乱流に関する研究ー2018

    • Author(s)
      長田孝二,渡邉智昭
    • Organizer
      第 4 回海洋地球科学ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] Influence of Compressibility on Turbulent/Non-Turbulent Interface in Supersonic Planar Jet2018

    • Author(s)
      R. Nagata, T. Watanabe and K. Nagata
    • Organizer
      15th International Conference on Flow Dynamics
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2019-12-27  

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