2019 Fiscal Year Annual Research Report
乱流統計理論による大気エアロゾルの粒径分布形成メカニズムの解明
| Project/Area Number |
18K13611
|
|---|
| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
齋藤 泉 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70798602)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 乱流理論 / 衝突 / エアロゾル粒子 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、大気エアロゾル粒子など微小粒子群の衝突・合体成長によって形成される粒径分布を考え、その形成メカニズムを乱流統計理論および直接数値シミュレーションによって明らかにすることである。
初年度は最もシンプルな系として、3次元一様等方乱流中で衝突・合体成長する球形の非慣性粒子を考えた。粒径分布の時間発展を記述するスモルコフスキ方程式に波動乱流の理論を応用することにより、平衡状態における粒径分布を解析的に導出した。大型計算機を用いた直接数値シミュレーションにより、平衡状態における粒径分布が理論予測と一致することを確かめた。また、乱流シミュレーションにおいて報告されている「ボトルネック効果」と類似の現象が、本研究のシミュレーションにおいても見られた。以上の成果を学会や研究会で発表するとともに、査読付英文誌に掲載した。
最終年度には、研究の新たな展開につながる重要な発見があった。本研究の対象である粒子群の衝突・合体成長は、周囲の流れの特徴に影響される。例えば、流れの乱れの強度が変化したり、せん断が存在したりすることで、粒子群の衝突頻度は大きく変化する。しかしながら一方で、粒子群は周囲の流れから影響を受けるだけでなく、凝縮・蒸発や摩擦抵抗、熱輸送を通じて周囲の流れを変化させる。このような粒子群と流れの相互作用を理解することが、新たな課題として浮かび上がってきた。
以上の経緯により、粒子群による乱流変調のメカニズムについて調査を行った結果、摩擦抵抗を通じた乱流変調の新たな時間スケール「流れの緩和時間」を発見した。この時間スケールを用いることで乱流変調を定量的に予測できることを、統計理論による解析と直接数値シミュレーションによって示し、査読付き英文誌に掲載した。
|
