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2023 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に関しては、以下の成果を得た。(S1)粒子添加による周期箱乱流の低減現象に関して、低減が起こる条件や低減率に関する知見をさらに深めた。とくに粒子形状が乱流変調に与える影響を調べ、同じ等価直径とストークス数であれば、アスペクト比が大きな粒子ほど低減効果が大きいことを示し、その物理機構も明らかにした。(S2)粒子の添加が平行平板間乱流に与える影響を調べ、乱流低減の物理機構を明らかにした。(S3)界面活性剤の添加による乱流変調に関しては、ミクロ描像を明らかにするために粗視化分子動力学シミュレーションを進め、紐状ミセルの切断や配向に関する知見をさらに深めた。(S4)高分子の添加による乱流変調に関しては、ダンベルモデルを用いた周期箱乱流の一方向結合シミュレーションを進め、ダンベルの伸長と配向の緩和時間依存性を明らかにした。さらに、二方向結合シミュレーションも実行し、乱流変調が起こる流れのスケールが局所緩和時間で整理できることを示した。(S5)構成則を用いた高分子を添加した乱流の数値シミュレーションも実行し、変調のワイゼンベルグ数依存性が(S4)と整合的であることを示した。
実験研究に関しては、以下の成果を得た。(E1)前年度に構築した「4本の平行な円柱が互い違いの方向に回転する乱流生成装置」を使った実験を進めた。界面活性剤の添加した場合に、その添加濃度に応じて乱流変調の様子が変化する様子を確かめた。乱流中の小スケールの渦より低減が起こる様子が、(S4、S5)の数値シミュレーション結果と整合的であることを示した。(E2)回流水槽を用いた室内実験を遂行し、(前年度に発見した)界面近傍に置かれた物体周りの流れの双安定状態に関する知見を深めた。これは添加物による乱流変調現象ではないが、当研究課題の遂行を通じて見出された混相乱流に関する新しい研究の展開として重要である。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (34 results)

All 2024 2023 Other

All Int'l Joint Research (2 results) Journal Article (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Peer Reviewed: 7 results,  Open Access: 1 results) Presentation (25 results) (of which Int'l Joint Research: 13 results,  Invited: 3 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] Attraction of neutrally buoyant deformable particles towards a vortex2024

    • Author(s)
      Yutaro Fujiki, Hideto Awai, Yutaro Motoori, Susumu Goto
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 9 Pages: 014301

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.9.014301

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Space-local Navier-Stokes turbulence2024

    • Author(s)
      Ryo Araki, J. T. Woter Bos, Susumu Goto
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 9 Pages: 014603

    • DOI

      10.1103/PhysRevFluids.9.014603

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of scission on alignment of nonionic surfactant micelles under shear flow2023

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

      Soft Matter

      Volume: 19 Pages: 4323-4332

    • DOI

      10.1039/d3sm00167a

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Multiscale clustering of heavy and light small particles in turbulent channel flow at high Reynolds numbers2023

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

      International Journal of Heat and Fluid Flow

      Volume: 102 Pages: 109166

    • DOI

      10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109166

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Minimal model of quasi-cyclic behaviour in turbulence driven by Taylor-Green forcing2023

    • Author(s)
      Ryo Araki, J. T. Woter Bos, Susumu Goto
    • Journal Title

      Fluid Dynamics Research

      Volume: 55 Pages: 035507

    • DOI

      10.1088/1873-7005/acdff7

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Hierarchy of coherent vortices in turbulence behind a cylinder2023

    • Author(s)
      Jun Fujino, Yutaro Motoori, Susumu Goto
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 975 Pages: A13

    • DOI

      10.1017/jfm.2023.824

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Characterizing small-scale dynamics of Navier-Stokes turbulence with transverse Lyapunov exponents: A data assimilation approach2023

    • Author(s)
      Masanobu Inubushi, Yoshitaka Saiki, Miki U. Kobayashi, Susumu Goto
    • Journal Title

      Physical Review Letters

      Volume: 131 Pages: 254001

    • DOI

      10.1103/PhysRevLett.131.254001

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Turbulence modulation by heavy solid particles2024

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      IUTAM Symposium on Rapid granular flows and turbulent particle suspensions
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円筒内流れとその混合性能2024

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      化学工学会 第89年会
  • [Presentation] 一様せん断流における流動誘起分裂による界面活性剤ミセルの配向の抑制2024

    • Author(s)
      小井手祐介
    • Organizer
      日本物理学会 2024年春季大会
  • [Presentation] 乱流中における乳化現象の物理機構の解明へ向けた液滴分裂の数値シミュレーション2024

    • Author(s)
      中野元大
    • Organizer
      日本機械学会関西支部 第99期定時総会講演会
  • [Presentation] The condition and rate of attenuation of turbulent kinetic energy due to solid spherical particles2023

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      IUTAM Symposium on Turbulent Structure and Particles-Turbulence Interaction
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Coherent structures and transport phenomena in turbulence2023

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      ASME-JSME-KSME Fluids Engineering Division Conference (AJK-FED 2023)
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Turbulence attenuation by finite-size spherical particles2023

    • Author(s)
      Susumu Goto
    • Organizer
      The 18th European Turbulence Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Flow and mixing in a rotating container with a gas-liquid interface2023

    • Author(s)
      Daiki Watanabe
    • Organizer
      11th International Conference on Multiphase Flow, ICMF 2023
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Alignment of wormlike micelles under shear flow: Comparison with polymers2023

    • Author(s)
      Yusuke Koide
    • Organizer
      The 8th Pacific Rim Conference on Rheology
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The onset of convection cells in a partially filled cylinder rotating about a horizontal axis2023

    • Author(s)
      Daiki Watanabe
    • Organizer
      ASME-JSME-KSME Fluids Engineering Division Conference (AJK-FED 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Shear-rate dependence of scission of wormlike micelles under shear flow2023

    • Author(s)
      Yusuke Koide
    • Organizer
      The 9th International Discussion Meeting on Relaxations in Complex Systems
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円管内部流の直接数値計算2023

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      混相流シンポジウム2023
  • [Presentation] Sustaining mechanism of turbulence in a rotating container partially filled with liquid2023

    • Author(s)
      Daiki Watanabe
    • Organizer
      The 18th European Turbulence Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 高分子添加による乱流中の渦の階層構造の変調2023

    • Author(s)
      増田颯人
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
  • [Presentation] 自由表面を伴う物体後流の室内実験と強化学習による制御2023

    • Author(s)
      江田駿介
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
  • [Presentation] 気液界面を有する回転円管内流れの直接数値計算2023

    • Author(s)
      渡邊大記
    • Organizer
      第37回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] 長球状粒子による乱流変調とその物理機構2023

    • Author(s)
      安房井英人
    • Organizer
      第37回数値流体力学シンポジウム
  • [Presentation] Role of scission in dynamics of surfactant micelles2023

    • Author(s)
      Yusuke Koide
    • Organizer
      The 7th International Soft Matter Conference
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 秩序構造と高分子の配向に着目した希薄高分子溶液の乱流の数値シミュレーションと実験2023

    • Author(s)
      増田颯人
    • Organizer
      第71回レオロジー討論会
  • [Presentation] Interaction between solid particles and coherent structures in turbulent channel flow2023

    • Author(s)
      Yutaro Motoori
    • Organizer
      International Conference on Multiphase Flow (ICMF2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modulation of wall turbulence by addition of solid particles2023

    • Author(s)
      Yutaro Motoori
    • Organizer
      ASME-JSME-KSME Fluids Engineering Division Conference (AJK-FED 2023)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粒子の添加による壁乱流の低減および乱流構造の変化2023

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      混相流シンポジウム2023
  • [Presentation] Hierarchy of coherent vortices and energy cascade in turbulence behind a cylinder2023

    • Author(s)
      Yutaro Motoori
    • Organizer
      European Turbulence Conference 18 (ETC18)
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 粒子による壁乱流中の秩序構造の低減2023

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      日本流体力学会年会2023
  • [Presentation] 混相乱流中の種々の輸送現象の直接数値シミュレーション研究2023

    • Author(s)
      本告遊太郎
    • Organizer
      プラズマシミュレータシンポジウム2023

URL: 

Published: 2024-12-25  

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