2019 Fiscal Year Research-status Report
Research and development of passive-type high Reynolds number isotropic turbulence generator in small wind tunnel.
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18K03947
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
牛島 達夫 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50314076)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 格子乱流 / フラクタル / 等方性乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、能動的にかく乱を与えることなしに、通常の格子乱流より、等方性の成立度が高く、また、乱流エネルギーカスケードを観察できる程度のレイノルズ数の乱流を発生できる小規模の乱流発生装置を開発することである。本年度は，その目的達成のために、２種類の乱流発生格子を考案設計し、その流れ場の特性を調べた。
第一に，正方形の板を基本に，正方形の各一辺を一辺の8分の1の長さの辺32個で置き換えることを繰り返してフラクタル状に入り組んだ境界を持つ格子を設計した．研究の二年目では，フラクタルプレートを格子状に配置するために，フラクタルパターンを2回繰り返した板を16個（4×4で配置）製作した．本研究で採用したフラクタルパターンの2回の繰り返しは約2ディケイド分(8×8=64)の範囲（十分発達した慣性小領域に相当）で自己相似の乱れの生成が期待される．
第二の格子は，小物体を格子状に配置し，流路内に係留するものである．１年目は，遮蔽率が25％のものを設計したが，再現性実験で，流れに一定周期の振動を与えることがわかったので，２年目では隣通しの係留物が互いに衝突することで付加的でランダムな乱れが重畳されるよに，遮蔽率を通常の格子（36％）より大きなもの（46％）を設計し，遮蔽率の変化による生成される乱流への影響を調べた．更に，より軽量で大型の係留物体を用い，ほぼ同条件の標準格子や能動型格子の結果と比較すると，ちょうど中間の乱流強度を示し，標準格子に比べて，積分スケールは２倍程度大きく，能動型格子よりも等方性の成立度がよい乱流が，比較的低風速（5m/s）で生成できることがわかった．横置きの風洞では，係留物体が重量の影響を受けやすく，重力の影響が流路内で一様となるように，竪型の流下式の小型風洞を設計し，外注で年度末に完成した．
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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
フラクタル形状に入り組んだ格子は，基本パターンを2回繰り返したものを設計し，強度にも問題がないことがわかったので，格子状に配置するために，16枚製作した．基本パターン１回繰り返しの単一のフラクタル平板での再現性の実験に手間取り，２回繰り返しの単一のフラクタル板での結果との比較が十分できなかった．16枚のフラクタル板を格子状に配置する方法については十分な検 討ができていない．
一方，円柱を係留した格子では，係留した円柱が重力によって，水平より下方に向いて揺動するため，２つの検討を行った．一つは，流下式竪型小型風洞を設計すること，もう一つは，円柱係留格子の比重をできるだけ小さくし，重力の影響を小さくすることである．前者は，限られた実験スペースの中で，試験区間2mを確保し，格子サイズの100倍まで測定できる風洞を設計し，流路断面は必要風速を確保するために，当初の予定より小さくなった．設計した風洞は外部発注し年度末に納入完成した・後者は，大円柱をケント紙で中空で作成し，できるだけ大きな寸法することにより，相対的に比重を小さくし，重力の影響を抑えた，床に接している係留円柱を除いて，水平方向および垂直方向に相違ないランダムな運動をすることを確認し，乱流強度は標準格子の約3～4倍の8％，積分長さは格子間隔と同程度（標準格子の２倍），比較的低風速（5m/s）でテイラー長さ基準のレイノルズ数で160を達成できることがわかった．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在，コロナウィルス感染拡大防止のため，大学構内への立ち入りが制限されているために，実験を実施することができない．そこで，年度の前半は，後半の実験がスムーズに開始できるように準備に万全を期す．具体的には，（１）現在の計測システムの改良を検討する．プログラムで自動化できるところは実装を試みる．（２）フラクタル平板を格子状に配置するための具体的な方法の決定と必要な固定器具の購入をしておく．（３）流下式竪型風洞の測定準備として，専用の熱線プローブの設計や移動装置を設計し，部品を注文しておく．（４）係留格子の係留物体の運動のビデオより，画像解析により，係留物体と発生する速度の乱れの関係の分析法を開発する．（５）これまで，一点計測のみ実施してきたので，多点計測により乱流のエネルギーカスケードを直接測定できる方法を検討し，設計製作を行う．
年度の中盤（８月～１０月）は，測定に向けて，測定装置の組み立てや測定の準備試験を行うと同時に，引き続き，計測データの分析方法について，検討する．
年度の後半（１１月～翌年１月）に集中して，データ収集作業を実施し，同時並行でデータ分析を行う．フラクタル平板の格子と竪型小型風洞の係留格子では，乱流の基礎データを蓄積し，フラクタル平板の格子と風洞を共用している大型の係留格子では，エネルギーカスケード機構解明のための二点計測を実施する．
残りの期間で，成果にについて，まとめる予定である．
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| Causes of Carryover |
2019年12月に香港科学技術大学で開催予定のICJWSF（7th International Conference on Jets, Wakes and Separated flow, 第7回噴流後流およびはく離流国際会議）で成果発表を予定していたが，政情不安により5月までに延期され，更に新型コロナウィルスの世界的拡散により，会議が中止されたため．学会参加費および渡航費が繰り越された．
国際会議発表は，現状では困難な状況であり，代替としては，実験装置の改良に必要な部品（小型の移動装置および熱線プローブ）の購入を検討している．
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