2018 Fiscal Year Research-status Report
Fundamental study on interactions between small solid particles and turbulence
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18K03925
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (30345946)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 固体粒子 / 乱流 / 大規模計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
固体粒子群と乱流の相互作用による乱流場の変形や，その粒子群の挙動への影響を定量的に解析し，その性質を理解することは気象・海洋分野や環境学的流れ，あるいは様々な工学分野で観察される混相乱流の性質を理解する上で大変重要なテーマである．小さな固体粒子群の乱流中での振る舞いや，粒子群による乱流場の変形を数値解析する際には，粒子を質点近似して扱うことが多い．これは計算コストがかからない有効な計算手法である反面，質点近似することで粒子周りの流れの詳細を正確に取り扱っていない側面もあり，その精度や妥当性については不確かな部分も多い．
本研究課題の目的は，質点近似した粒子群による乱流場の変形が物理的にどの程度妥当であるかを検証することにある．そのために，質点近似粒子を用いない，有限サイズの粒子群と乱流の相互作用に関する計算を質点近似粒子と同じ物理条件下で実行し，両者の結果を比較検討することで，質点近似の取り扱いに関する妥当性や問題点を明らかにすることを目指した．有限サイズ固体粒子群と流れのカップリング法として，本研究ではVolume Penalization法を用いた.乱流場はこれまでの研究で開発してきたフーリエ・スペクトル法による直接数値計算コードを用いた.計算領域は一辺が2πの周期的境界条件に従う立方体とし，この中に最大6144個の固体球形粒子を分散させた計算を行った．乱流レイノルズ数を抑えて粒子周りの流れを十分に解像できるよう配慮した．粒径はコルモゴロフ長程度であり，これは特徴的な乱流渦のに比べて比較的小さい．両手法で得られた乱流スペクトルの振る舞い等の結果から，質点近似粒子群による乱流変調と有限サイズ粒子群による乱流変調には，特に大スケールでの振る舞いは定量的にも良く一致することが明らかになった．これは条件によっては質点近似計算の有効性や妥当性を根拠づけるものである．
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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
初年度は計算コードの開発・整備とテスト計算を目標にしていたが，研究自体は非常に順調に進めることができた．これは研究に携わった大学院生の努力や研究室同僚からの助力によるところが大変大きかったと感じている．現在は主要な結果を学術論文としてまとめている段階であり，当初の最低限の研究目標はクリアできる状況にあるのではないかと考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
当面の目標は，現在の研究成果を学術論文としてまとめ，出版にまでたどり着くことにある．その過程でいくつかの問題点が浮上する可能性があるが，引き続きデータの解析と計算を先に進めていくことができる環境を早めに構築したいと考えている．また，球形の固体粒子以外に非球形の粒子を扱うことも可能な状況になっているので，当初の予定にはなかったが粒子形状の違いによる乱流場への影響を解析することは大変興味深いテーマになると考えている．
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| Causes of Carryover |
当初は解析用の計算サーバーの購入と,スパコンの使用料について予算を使用する予定でいたが、計算サーバーについては初年度は研究室に従来から設置してあるものを利用することがなんとか可能であったため,購入するに至らなかった.またスパコンの使用料については,他のプロジェクトからの計算機資源の供給に余裕が生じたため、当初予定していた使用料が発生しなかった.今年度は計算機の使用料にある程度まとまった予算を使用することになると考えており,解析用サーバーの購入も予定している.また研究成果の発表かかる経費もかかると予想しており、前年度よりは予算の消化が大幅に増えると予想している．
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