2023 Fiscal Year Research-status Report
渦層構造の動力学特性と不安定性に基づく乱流現象の解明
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22K03903
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
渡邉 智昭 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (70772292)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 孝二 京都大学, 工学研究科, 教授 (50274501)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 乱流 / 渦層 / 安定密度成層 / 圧縮性流れ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
乱流中には強い速度せん断を持つ層状の渦領域（渦層）が存在する。渦層は乱流の動力学特性において重要な役割を果たすことが予想されているものの、渦層の検出が困難であるためその詳細な調査が行われてこなかった。本研究では速度勾配テンソルのせん断成分を基に渦層位置・方向を求める新たな解析手法により渦層に関わる乱流現象を明らかにすることを目的とする。渦層検出には速度勾配テンソルを剛体回転、せん断、伸長ひずみの成分に分解する三成分分解を用いた。せん断成分により定義されるせん断強度により渦層を検出し、渦層位置におけるせん断成分の解析により渦層方向を同定する。渦層方向により定義される局所座標系において渦層のアンサンブル平均を求め渦層の統計的特性を評価した。渦層周りの平均流れ分布や長さ・速度スケールの確率分布より渦層モデルを構築し、乱流中の渦層は特定のスケールの擾乱に対して著しく不安定となることが示された。渦度ベクトルのせん断成分を抽出しビオ・サバール則により速度場を再構成することで渦層が誘起する速度場を算出する手法を提案した。本手法を一様等方性乱流や乱流噴流の直接数値計算データに適用することで、渦層が乱流輸送やエネルギカスケードにおいて支配的な役割を果たすことが示された。さらに、渦層に対する圧縮性の影響を明らかとすることを目的として、超音速噴流により生成される圧縮性乱流に対する実験を実施した。また、多数の渦層が現れる乱流・非乱流界面層のスケーリング則を乱流境界層や非平衡乱流に対して明らかにした。界面層が重要な役割を果たす乱流中の化学反応について、Implicit Large Eddy Simulationと粒子法を組み合わせた解析を実施し、多粒子相互作用を基にした分子拡散モデルにより反応場を正確に予測できることを示した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
研究開始時には想定されていなかった渦層が誘起する速度場を評価する手法を確立し、渦層が熱・物質の空間輸送や乱流エネルギのスケール間輸送において支配的な役割を果たすことを解明するに至った。渦層は乱流中の最も小さい構造の一つであるものの、その影響は大スケールの乱流輸送現象にも及ぶことが明らかとなった。本成果はPhysical Review FluidsにEditors' Suggestionとして掲載された。また、本課題で明らかとなった渦層周りの平均流れ分布や各種スケールの確率分布を基に構築された渦層モデルにより、乱流中の渦層が崩壊する現象を調査した。本モデルを基にした研究成果はJournal of Fluid Mechanicsに掲載されたのみならず、そのカバーにおいても紹介されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
圧縮性乱流や安定密度成層乱流の風洞実験および直接数値計算データの解析により、様々な環境下の渦層の特性を調査する。圧縮性乱流の数値計算については乱流運動により衝撃波が生成される高マッハ数条件を取り扱う。安定密度成層乱流については平均速度せん断の影響を受ける乱流混合層と一様平均流中で発達する格子乱流を計算対象とすることで、平均速度せん断の影響を明らかにする。また、自由せん断乱流などに見られる乱流・非乱流界面層における渦層を調査し、乱流の空間発達と渦層の関連を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
実験装置設計が遅れ2024年度に装置を購入することになったため。
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