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

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H02068
• 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: Osaka University
• Principal Investigator: Goto Susumu 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 Final Research Achievements

A small amount of additives (particles, polymers, and so on) can affect flow states. The objective of the present study is to obtain the fundamental understanding of this interesting phenomenon. First, we performed many direct numerical simulations of turbulence attenuation by solid particles to clarify the physical mechanism through thorough data and theoretical analyses. Then, we derived the conditions under which the attenuation occurs and the formulas that give the degree of the attenuation. We also conducted direct numerical simulations and experiments on turbulence modulation by the addition of polymers and surfactants, and clarified the conditions for the attenuation of turbulence intensity. Furthermore, we conducted microscopic simulations to clarify the effect of the flow on the statistical properties of molecules in order to understand the turbulence modulation caused by the addition of molecules.

Free Research Field

流体理工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

少量の添加物が流れの状態を劇的に変化させることは実験的には古くから知られていたが、その物理機構は未知のままであった。本研究により、とくに固体粒子の添加による乱流低減の物理機構が系統的に理解されたことの学術的意義は非常に大きい。また、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、完全な解明には至らなかったが、本研究で得られた知見は今後の学術研究の基盤を与える。なお、少量の添加物により流れの状態を変化させる技術は、広い応用が期待できる。したがって、本研究を通じて得られた知見は、例えば、流体輸送におけるエネルギー低減技術などへの展開が期待され、その社会的意義も大きい。