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2022 Fiscal Year Annual Research Report

Control of turbulence by additives: principles in terms of the hierarchy of coherent structures

Research Project

Project/Area Number 20H02068
Research InstitutionOsaka University

Principal Investigator

後藤 晋  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (40321616)

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)
本告 遊太郎  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (20906911)
大槻 道夫  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 准教授 (30456751)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
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 / 高分子 / 界面活性剤 / 混相流
Outline of Annual Research Achievements

数値シミュレーション研究(S)に関しては、概ね計画通りに研究を進めることができた。(S1)剛体球形粒子の添加による周期境界条件下の乱流の変調現象に関して、大規模数値シミュレーションによるパラメタサーベイの結果および、それに基づく理論をまとめた論文を出版した。また、同様の考えを平行平板間乱流へと適用する研究も推し進めた。さらに、球形以外の剛体粒子が乱流変調に与える影響についての研究にも着手した。(S2)弾性体粒子が渦中心に集積する現象を説明する理論を提案した。(S3)高分子や界面活性剤の添加による乱流変調現象に関しては、ミクロ描像およびマクロ描像の双方から研究を進めた。まず、前者に関しては、散逸動力学法(粗視化分子動力学)による数値シミュレーションを実行し、最長緩和時間やせん断流に対する配向に関する界面活性剤ミセルと高分子との相違点を明らかにした。一方、マクロ描像からは、構成則を用いた連続体シミュレーションおよび、ブラウン動力学法による数値シミュレーションを進めた。その結果、乱流変調現象の物理機構の理解に近づいている。室内実験研究(E)に関しては、ようやく軌道に乗り始めた。(E1)界面活性剤や高分子の添加による乱流変調現象に関する実験研究のプラットフォームとして、直方体容器内で4本の平行な円柱を互い違いの方向に回転する装置を完成させ、界面活性剤や高分子の添加による乱流変調現象を実験的に捉えることが可能となった。(E2)回流水槽を用いた実験プラットフォームを構築する過程で、自由界面近傍に置かれた物体に作用する力に関する新たな現象を発見した。これは添加物による制御とは直接は関係しないが、流れの制御の観点から興味深い発見であり、現在、さらなる解析を進めている。

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、とく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。これは各種の数値シミュレーションプログラムが完成したことや、富岳やプラズマシミュレータ(自然科学研究機構)等の計算機資源が十分に確保できたことに加えて、得られたデータに基づいて十分な理論的な考察ができたことによる。一方、実験研究に関しては、当初の予定通りにはいかない事項(回流水槽が清掃の観点から添加物を使いにくい点など)があったが、新たな代替装置も完成したので、今後は研究を加速したい。

Strategy for Future Research Activity

本研究課題の遂行を通じて、添加物による乱流変調に限らず、混相流の興味深い現象をいくつも発見することができた。これらに関して今後も数値シミュレーションを用いた研究を推進するための環境は整っている。一方で、数値シミュレーション結果の検証や新たな現象の発見の観点から室内実験が極めて重要であることを強く認識した。室内実験環境をさらに整えるとともに、人的な資源の確保も喫緊の課題である。

  • Research Products

    (36 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (28 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 5 results)

  • [Int'l Joint Research] カールスルーエ工科大学(ドイツ)

    • Country Name
      GERMANY
    • Counterpart Institution
      カールスルーエ工科大学
  • [Int'l Joint Research] リール大学/エコール・サントラル・リオン(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      リール大学/エコール・サントラル・リオン
  • [Journal Article] Role of the hierarchy of coherent structures in the transport of heavy small particles in turbulent channel flow2022

    • Author(s)
      Yutaro Motoori, ChiKuen Wong, Susumu Goto
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 942 Pages: A3

    • DOI

      10.1017/jfm.2022.327

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Flow-induced scission of wormlike micelles in nonionic surfactant solutions under shear flow2022

    • Author(s)
      Yusuke Koide, Susumu Goto
    • Journal Title

      The Journal of Chemical Physics

      Volume: 157 Pages: 084903

    • DOI

      10.1063/5.0096830

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Simple bladeless mixer with liquid?gas interface2022

    • Author(s)
      Daiki Watanabe, Susumu Goto
    • Journal Title

      Flow

      Volume: 2 Pages: E28

    • DOI

      10.1017/flo.2022.22

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Attenuation of turbulence in a periodic cube by finite-size spherical solid particles2022

    • Author(s)
      Sunao Oka, Susumu Goto
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 949 Pages: A45

    • DOI

      10.1017/jfm.2022.787

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] 円柱背後の乱流の生成機構2022

    • Author(s)
      藤野潤,本告遊太郎,後藤晋
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 41 Pages: 53-56

  • [Journal Article] 乱流渦の階層の自己相似性2022

    • Author(s)
      鶴橋知典,後藤晋,岡温,米田剛
    • Journal Title

      ながれ

      Volume: 41 Pages: 386-390

  • [Presentation] 気液界面を有する回転容器内部流れの室内実験2023

    • Author(s)
      江口健斗
    • Organizer
      日本機械学会 関西支部第98期定時総会講演会
  • [Presentation] 高分子溶液の乱流のミクロ-マクロハイブリッド数値シミュレーション2023

    • Author(s)
      増田颯人
    • Organizer
      日本機械学会 関西支部第98期定時総会講演会
  • [Presentation] 自由表面を有する一様流中の物体に作用する流体力の測定2023

    • Author(s)
      藤嶋歩里
    • Organizer
      日本機械学会 関西支部第98期定時総会講演会
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円筒内流れの数値シミュレーション2023

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      化学工学会 第88年会
  • [Presentation] 乱流中における高分子鎖の伸長と配向2023

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      日本物理学会 2023年春季大会
  • [Presentation] 発達した乱流中の秩序渦の階層2022

    • Author(s)
      後藤晋
    • Organizer
      日本学術振興会二国間ワークショップ
    • Invited
  • [Presentation] Application of Reservoir Computing to Turbulence2022

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      2nd US-Japan Workshop on Data-Driven Fluid Dynamics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 固体粒子による乱流低減2022

    • Author(s)
      後藤晋
    • Organizer
      第66回「乱流遷移の解明と制御」研究会
    • Invited
  • [Presentation] 発達した乱流中の輸送現象2022

    • Author(s)
      後藤晋
    • Organizer
      プラズマシミュレータシンポジウム2022
    • Invited
  • [Presentation] Hierarchy of coherent vortices in developed turbulence and its role in transport phenomena2022

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      6th Asia-Pacific Conference on Plasma Physics
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円筒内流における対流の発生2022

    • Author(s)
      後藤晋
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
  • [Presentation] 固体球形粒子の添加による乱流低減現象2022

    • Author(s)
      後藤晋
    • Organizer
      第36回 数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] Interactions between turbulence and particles2022

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      日仏二国間交流事業セミナー
  • [Presentation] Flow-Induced Scission of Surfactant Micelles under Shear Flow2022

    • Author(s)
      Yusuke Koide
    • Organizer
      USNC/TAM 2022
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 気液界面を有する回転容器内流れとその混合性能2022

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      化学工学会 2022年秋季大会
  • [Presentation] 一様せん断流における界面活性剤ミセルの分裂と再結合2022

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円筒内部流の直接数値計算2022

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
  • [Presentation] 乱流渦の階層の自己相似性2022

    • Author(s)
      鶴橋知典
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2022
  • [Presentation] 気液界面を有する回転容器内部流れの室内実験2022

    • Author(s)
      江口健斗
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
  • [Presentation] 乱流中における高分子鎖のふるまい2022

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      日本機械学会 第100期 流体工学部門 講演会
  • [Presentation] 渦と非球形粒子の相互作用2022

    • Author(s)
      安房井英人
    • Organizer
      第36回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 一様せん断流における界面活性剤ミセルの分裂と配向2022

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      日本レオロジー学会第49年会
  • [Presentation] 一様せん断流におけるひも状ミセルの配向:高分子鎖との比較2022

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      第36回 分子シミュレーション討論会
  • [Presentation] Role of the hierarchy of coherent structures in the transport of solid particles in turbulent channel flow at high Reynolds numbers2022

    • Author(s)
      Yutaro Motoori
    • Organizer
      TSFP12
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 壁乱流中における固体粒子分布の秩序構造による記述2022

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      日本機械学会年次大会
  • [Presentation] 乱流中の渦の階層とスケール間エネルギー輸送2022

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      日本流体力学会年会
  • [Presentation] 粒子の添加による壁乱流の変調現象2022

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
  • [Presentation] 発達した乱流中におけるパッシブスカラーの階層構造2022

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      第36回数値流体力学シンポジウム

URL: 

Published: 2023-12-25  

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