2021 Fiscal Year Research-status Report

Unified method for unsteady analysis of cavitating turbulent flow

Research Project

Project/Area Number	19K14888
Research Institution	Osaka University
Principal Investigator	岡林希依大阪大学, 工学研究科, 助教 (40774162)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2023-03-31
Keywords	キャビテーション / 乱流 / 翼 / Large-eddy simulation / 数値流体力学
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．前年度に開発した，シートキャビティ周りの流線に基づいたキャビテーションモデルで課題として残っていた保存性の問題を解決した．シートキャビティの前部分の界面上に設定したラグランジュ点を追跡し，一定時間間隔ごとにその周りに格子を張り直すことで，物理量の保存性を満たすとともにシートキャビティを迂回する流線を再現した．さらに，リエントラントジェットの進行に伴い界面追跡するシートキャビティの前部分の終端を上流に移動させ，シートキャビティの残りの部分は均質流体モデルで表現することにより，クラウドキャビティの放出やキャビティ振動などの非定常キャビテーション現象もシミュレートすることが可能となった．本モデルによって従来の均質流体モデルのみの計算に比べて，シートキャビティ後部に生じる低圧部をシミュレートすることで，揚力特性を高精度に予測できた．２．Subgrid-scale渦の低圧部からのキャビティ発生を計算セル内の圧力の確率密度関数（PDF）でモデル化したPDFモデルを，翼周りのキャビテーション乱流のLESに適用し，キャビティ発生量に対するモデル導入の影響を調査した．ガウシアン型のPDFの標準偏差を決定するモデル定数の設定にもよるが，PDFモデルを導入した結果，導入しない場合よりキャビティ発生量は増加し，予想された挙動を示すことを確認した．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本プロジェクトは主に１．界面捕獲・均質流体ハイブリッド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ったが，次の理由から達成することができなかった．課題１に関する論文の初回投稿から掲載決定まで半年を見込んでいたが，ジャーナルの編集上の都合で掲載可否の判断まで1年近くを要し，再投稿の必要が出てきたうえに，課題2の進行にも連動して遅れが生じているためである．課題１については，目標におおむね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３年目が終わった時点での進展として，総合的にやや遅れていると判断した．その理由を以下に示す．（課題１）シートキャビティを迂回する流線の本質はすでに解明しており，界面捕獲・均質流体ハイブリッドモデルの保存性についてもほぼ解決している．上記の理由で遅れが生じた論文執筆を含む研究成果の取りまとめが残っており，目標の９割程度に到達したと判断した．（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が，上記の理由により計画に遅れが生じ，本年度の目標であったモデルパラメータの設定と従来モデルとの比較が行えていない．課題２については本年度までに目標の8割が完了している．
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同時並行して推進する．１．本年度に開発した，界面追跡を行うことで保存性を解決したハイブリッドモデルにより，揚力特性の再現性にどの程度影響を与えるかについて，迎角とキャビテーション数をパラメトリックに変更しながら調査する．また，再投稿中の論文の査読対応も含めた研究成果の取りまとめを行う．２．乱流渦からのキャビテーション初生を表すPDFモデルと，キャビテーションが乱流渦に及ぼす影響を表すシンク項モデルについて，モデルパラメータを含めた検証を行う．また，通常のLESとの比較を行う．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切り替えることなく統一的に表すことができることを示す．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．
Causes of Carryover	論文の初回投稿から掲載決定まで半年を見込んでいたが，ジャーナルの編集上の都合で掲載可否の判断まで1年近くを要し，再投稿の必要が出てきたため，投稿料とオープンアクセスの費用が未使用である．また，連動して同時に進行しているモデルの高度化の課題にも遅れが生じており，その成果の外部発表が行えていない．したがって，次年度使用額は論文の投稿料とオープンアクセスのための費用，外部発表での旅費と学会参加費として用いる予定である．