2023 Fiscal Year Final Research Report

Study on modulation of turbulent fluctuations in multiphase flows using statistical theory in cloud turbulence

Research Project

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Project/Area Number	20H02066
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
Allocation Type	Single-year Grants
Section	一般
Review Section	Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research Institution	Nagoya Institute of Technology
Principal Investigator	Saito Izumi 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70798602)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	渡邊威名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30345946) 後藤俊幸慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター(日吉), 訪問教授 (70162154)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2024-03-31
Keywords	混相流 / 乱流変調 / 乱流・粒子間相互作用 / 雲乱流 / 乱流統計理論
Outline of Final Research Achievements	We studied the interaction between turbulence and small particles, which is important in various situations including engineering and environmental issues such as the dispersion of mineral dust and the combustion of liquid fuels in engines. By applying statistical models and direct numerical simulations (DNS), which have been used in the field of cloud turbulence research, we clarified the nature of turbulence modulation through heat transport by small particles and showed that quantitative predictions are possible. In addition, the effect of gravitational settling of water droplets on the condensation growth of water droplets in cloud turbulence is clarified by DNS, and the physics of turbulent mixing in a scalar field with low molecular diffusion (high Schmidt number) can be clarified by considering many small particles as a continuous scalar field from a macroscopic viewpoint.
Free Research Field	流体工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	乱流による微小粒子群の輸送・混合、および乱流と微小粒子群の相互作用による乱流の変調の問題は、雲内における雨粒を始めとして、工学・自然科学を含む様々な場面で重要であるにも係わらず、未解明であった。本研究により、特に熱輸送を通じた相互作用について、微小粒子群による乱流変調の定量的な予言が可能であることが示されるとともに、気象シミュレーションで用いられる統計モデル改良の可能性に道筋を付けることができた。また本研究で提案された、分子拡散の起こりにくい（シュミット数の高い）スカラー場の乱流混合のシミュレーションの新たなアプローチは、今後の高シュミット数スカラー乱流研究の土台となることが期待される。