Elucidation of hierarchical structure and energy transfer mechanism in turbulence on the basis of multi-scale steady solution

2021 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19K14889
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Osaka University
• Principal Investigator: Motoki Shingo 大阪大学, 基礎工学研究科, 講師 (70824134)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: マルチスケール / 乱流 / 熱対流 / 秩序構造 / エネルギー伝達 / ニュートン法 / ホモトピー

Outline of Final Research Achievements

In this study, we have found steady solutions reproducing coherent structures and statistical properties in convective turbulence. More precisely, in Rayleigh-Benard convection, thermal convection between permeable walls, and triply-periodic thermal convection, we have numerically obtained steady solutions with three-dimensional structures and revealed that these solutions represent hierarchical multi-scale vortex structures and reproduce the scaling laws and the energy spectrum observed in convective turbulence.

Free Research Field

熱流体工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

乱流現象の解明と制御のためには，乱流における統計法則やエネルギー伝達において本質的な役割を担う構造・事象を同定することが重要であるが，広範囲にわたるスケール（大きさ）の渦の階層構造によって構成されるマルチスケール性を有し，時間・空間的に不規則に変動する乱流場からその核となる要素を抽出することは極めて困難である．本研究課題では，乱流のマルチスケール構造と統計的性質を再現する定常な解を見出すことに成功した．この発見を契機とし，様々な流れにおけるマルチスケール定常解が調査されることで，乱流の理論的な理解と適切なモデル化，および新たな制御手法の開発に繋がると期待できる．