2019 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), 教授 (30345946)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 乱流変調 / 固体粒子 / 大規模シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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，粒子を質点近似することが多い．これは計算コストが低い有効な計算手法である反面，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．有限サイズの固体粒子群と流れの相互作用を扱う計算手法として，本研究ではVolume Penalization法を用いた.ま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，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．この時粒径は散逸長と同程度であり，これは特徴的な乱流渦のに比べて比較的小さい．
両手法による乱流変調計算をいくつかのパラメータを変えながら実施した．特に粒子数密度一定で比重を大きくしたとき，乱流のエネルギースペクトルは高波数領域で大きく変形することがわかった．また同じパラメータで質点近似計算を行った結果と比較すると，スペクトルなどの乱流統計量の振る舞いが質点近似計算でも定量的に再現しうることがわかった．これは質点近似計算による乱流変調計算の妥当性を支持するものである．さらに乱流変調を定量的に予測する可能性について，理論的な考察を行った．粒子数密度に関連する特性時間（flow relaxation time）が乱流変調を特徴づける上で重要なパラメータになることを，数値計算によって明らかにした．
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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
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，非常に順調に進めることができた．昨年度はこれを踏まえた計算と理論的な考察が順調にすすみ，乱流と固体粒子群の相互作用に関する新たな知見を得ることができた．質点近似の妥当性検証については，主要な結果を学術論文としてまとめる段階にあり，当初設定した研究目標は現時点では達成できていると考えている．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度の目標は，研究成果を学術論文としてまとめて，出版することにある．いくつかのデータをまだ取得できていないため，引き続き計算と解析を進めていきたいと考えている．また非球形粒子群との相互作用を扱うためのコードも作成している段階にあり，本研究を土台にして新たな研究への展開を模索できる状況にもある．例えば粒子形状の違いによる乱流変調への影響を解析するなど，学術的に重要でかつ応用展開にも大事な研究を実施することが出来ればと考えている．
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| Causes of Carryover |
研究経費の大きな部分を占めるのは、大型計算機（スパコン）の使用料の予定であったが、今年度はスパコンの共同利用による研究を推進することができたので、使用予定であった経費が余りかからなかったのが主な理由である。また2019年度は学内業務が繁忙であったので、旅費を使用する機会（研究発表の機会）があまり作れなかったのも一因としてあげられる。最終年度はスパコンの使用が前半滞る予定なので、代用の汎用計算機の購入を考えている。また後半ではスパコンを利用して計算を進める予定であり、それに多くの経費が必要になると予想している。
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Research Products
(8 results)
