2019 Fiscal Year Research-status Report
Unified method for unsteady analysis of cavitating turbulent flow
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19K14888
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
岡林 希依 大阪大学, 工学研究科, 助教 (40774162)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | キャビテーション / 乱流 / 翼 / Large-eddy simulation / 数値流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，様々な形状とスケールを持つキャビテーション乱流場の諸現象を統一的に表す非定常解析手法を確立することを目的として，翼周りのキャビテーション乱流を解析対象としたLarge-eddy simulation（LES）の高度化を行っている．本年度は以下の成果をあげている．
１．比較的低迎角（2度）における翼周りのキャビテーション乱流のLESを行い，キャビティ領域，揚力特性と渦構造の関係について調査した．LESによって，シートキャビティ前縁から間欠的に生じる大規模な横渦をシミュレートし，均質流体モデルを用いたにも関わらず，シートキャビティを迂回する流れが再現されたことで，揚力特性の再現性が向上した．この横渦はキャビテーションの密度変化によって生じるものであり，その強い非定常性から，非定常解析であるLESの重要性が示唆される．
２．当研究グループで開発された，LESで計算されるフィルター平均圧力とサブグリッドスケール乱流エネルギーによって，個々の格子内の圧力分布を確率密度関数として見積もるモデルを，翼周りのキャビテーション乱流の計算プログラムに実装した．これによって，剥離せん断層が生じるような高迎角の流れ場において観察される，乱流要素渦を発生源とするキャビテーションをシミュレートすることができた．
３．シートキャビティを迂回する流線の本質がシートキャビティの気膜によるものなのか，上記１に示した横渦によるものかを明らかにするため，シートキャビティ気膜の界面を捕獲する気液二相流解析手法の導入を予定している．そのようなモデルは以前から存在するが，シートキャビテーションのみを想定しており，クラウドキャビティの放出やスーパーキャビテーション状態はシミュレートできない．本研究ではこれらの現象も統一的に表すため，均質流体モデルを併用する方法を検討し，実装している．
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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
本プロジェクトは主に１．界面捕獲モデルの開発とシートキャビティを迂回する流線の本質の解明，２．乱流要素渦を考慮したキャビテーションLESモデルの開発，３．マルチスケールのキャビテーション乱流を統一的に表す手法の検証，の三課題とその周辺からなる．課題３については三ヵ年のプロジェクト期間の最終年度に課題１と２の成果を統合することによって達成する見込みである．課題１と２については，それぞれ目標の半分以上には到達したと考えられるため，三ヵ年のプロジェクト期間の初年度が終わった時点での進展として，おおむね順調と判断した．その理由を以下に示す．
（課題１）現在，界面捕獲モデルの検討段階が終わり，実装と検証に着手するところである．また，その比較対象となる均質流体モデルを用いた従来の解析の主要な部分はすでに完了しており，パラメトリックスタディを行うのみである．したがって，目標の5割には達している判断した．
（課題２）乱流要素渦を考慮したキャビテーションLESモデルは，「乱流渦芯からの初生」と「キャビティが乱流渦に及ぼす影響」を考慮した，キャビテーション⇔乱流要素渦の相互作用を表すtwo-wayのモデルとすることが最終目標である．初年度はそのうち，乱流渦芯からの初生モデルの実装を行い，現状one-wayのモデルでの解析となっている．したがって，目標の5割に到達したと判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き，キャビテーション流れのLESの高度化に関する以下の研究を並行して推進する．
１．揚力特性の再現性悪化がより顕著となる高迎角の翼周り流れを対象として，シートキャビティを迂回する流線の本質が横渦によるものなのか，シートキャビティ気膜によるものなのかを明らかにする．前者の横渦は均質流体モデルを用いたLESでシミュレートされるので，現状のプログラムを用いて引き続き解析を進める．後者のシートキャビティ気膜を捕獲する手法として，流線によって界面を定め，その界面の法線方向の速度でキャビティの成長・収縮を定めるモデルを検討および実装する．このようなモデルは以前から存在するが，シートキャビテーションのみを想定しており，クラウドキャビティやスーパーキャビテーションはシミュレートできない．本研究ではこれらの現象も統一的に表すため，均質流体モデルを併用する方法を検討している．その際，シートキャビティとその他のキャビティとの場合分けが必要となると考えられ，その方策も同時に検討していく．
２．乱流要素渦を考慮したキャビテーションLESモデルの開発では，すでに定式化と実装を完了した「乱流渦芯からの初生モデル」に加え，「キャビティが乱流渦に及ぼす影響」をLESの乱流エネルギー方程式にソース項などの形で取り入れ，キャビテーション⇔乱流の相互作用を表すtwo-wayのモデルとする．
３．以上の手法を組み合わせることで，マルチスケールのキャビテーション現象を条件に合わせてモデルを変更することなく統一的に表すことができることを示す．例えば翼周りの流れでは飽和蒸気圧と迎角の組み合わせでスーパーキャビテーション，部分シートキャビテーションの付着／振動，せん断による乱流渦キャビテーションなどのモードを取るが，これらすべてが本研究の手法のみで統一的に表すことができ，かつ揚抗力などの再現性も改善することを示す．
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| Causes of Carryover |
2報分の論文掲載料を計上していたが，年度内に1報のみしか投稿・掲載がかなわなかったため．次年度に投稿する予定の論文の掲載料として使用する予定である．
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