2021 Fiscal Year Annual Research Report
Control of turbulence by additives: principles in terms of the hierarchy of coherent structures
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20H02068
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (40321616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
犬伏 正信 東京理科大学, 理学部第一部応用数学科, 准教授 (20821698)
大槻 道夫 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (30456751)
本告 遊太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20906911)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 乱流 / 乱流変調 / 秩序構造 / 数値シミュレーション / 室内実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
数値シミュレーション研究については、実施計画通りに研究を遂行した。（Ｓ１）「剛体粒子の添加による乱流変調現象」に関しては、昨年度から引き続き、周期境界条件下の乱流に球形粒子を添加した場合の系統的な（粒子径やストークス数を変えた）パラメタサーベイを進め、現象を整理するとともに、数値シミュレーション結果を説明する理論を提案することができた。さらに、構築した理論がより一般の乱流でも成立するかを検証するため、平行平板間乱流に球形の剛体粒子を添加した場合の数値シミュレーション研究も進めた。（Ｓ２）「弾性体粒子による乱流変調現象」に関しても、数値シミュレーション研究を遂行した。その結果、たとえ粒子の質量密度が流体の密度と同じであっても、粒子の変形の効果により渦中心に粒子が集積する現象を発見した。（Ｓ３）「界面活性剤や高分子の添加による乱流変調現象」に関しては、散逸動力学法を用いて、界面活性剤のミセルの挙動に関する数値シミュレーション研究を進めた。その結果、せん断流がミセルの回転緩和時間に与える影響に関する新たな知見を得た。この結果は、界面活性剤水溶液のレオロジー特性にせん断流が与える影響を明らかするために必須のものであり、界面活性剤の添加による乱流変調現象の解明に向けた基盤が構築されつつある。（Ｓ４）さらに、当研究課題の基盤をなす乱流中の渦の階層構造に関する研究も推し進めた。まず、円柱の背後にできる秩序渦の階層の詳細を明らかにした。また、周期境界条件下の乱流に関して、渦伸長過程とエネルギーカスケード描像の関係を数学的に明らかにするとともに、渦軸の階層の同定を行い、その自己相似性を明らかにした。
一方で、室内実験研究に関しては、昨年度に新規導入した回流水槽の性能特性に関する系統的な実験を完遂した。これにより、今後の界面活性剤や高分子の添加による乱流変調に関する系統的な実験の準備が整った。
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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
上述のように、数値シミュレーション研究に関しては計画通りに進捗している。これは富岳や自然科学研究機構のプラズマシミュレータ等、多くの計算資源を得て、複数の系に対して大規模な数値シミュレーション研究を徹底的に行えたことによる。一方で、室内実験研究に関しては、昨年度は新型コロナ感染症対策の影響を強く受けたものの、今年度は実験を順調に行うことができたため、遅れを取り戻しつつある。
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| Strategy for Future Research Activity |
数値シミュレーション研究に関しては、当初の計画を超えた興味深い現象も複数発見した。したがって、今後は「添加物による乱流変調」のみにとどまらず、混相乱流のさまざまな現象を解明していく。一方、室内実験は、数値シミュレーションで得られた知見の検証のために不可欠である。実験研究に携わる大学院生の協力も得て、着実に研究を進めたい。
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