2022 Fiscal Year Annual Research Report

らせん渦構造効果に着目した汎用乱流モデル開発と制御への展開

Research Project

Project/Area Number	21J00580
Allocation Type	Single-year Grants
Research Institution	Keio University
Principal Investigator	稲垣和寛慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター, 特別研究員(PD)
Project Period (FY)	2021-04-28 – 2024-03-31
Keywords	乱流 / 乱流モデリング / サブグリッドスケールモデル
Outline of Annual Research Achievements	本研究ではらせん渦構造に着目し，従来モデルよりも汎用的な乱流モデルの開発を試みる．本年度は，昨年度作成したチャネル乱流の直接数値計算データベースを用いてサブグリッドスケール(SGS)応力が解像スケール（グリッドスケール，GS）におよぼす効果について，Reynolds応力収支の観点から詳細な解析を行った．その結果，SGS応力を計算する際に用いるフィルター波長が壁面せん断乱流に典型的なコヒーレント構造に匹敵する場合，渦粘性モデルはエネルギー輸送量を予測できても平均せん断応力を予測できないことが明らかになった．さらに，フィルター波長がコヒーレント構造をある程度解像できる場合においても，SGS応力における渦粘性項とは異なる部分がGSのスパン方向の速度変動を積極的に生成する役割を担っていることがわかった．この効果はフィルター波長が大きくなるほど顕著であった．本研究の成果は国内の学会2件にて報告した他，国内の乱流物理研究者の集まる研究会でも報告した．現在，本成果をまとめた論文を米国専門誌に投稿中であり，プレプリントが公開済みである．また，昨年度得られた成果の一つに，既往の汎用的なSGS乱流モデルを物理的性質を保持したままより簡便なモデルへと縮約することに成功したものがある．この成果を本年度開催された国際会議で発表している．研究の成果の重要な点は，SGS応力における非渦粘性型のモデルの重要性を物理的に明確化したことである．さらに，GSの速度変動生成における圧力歪み相関項の寄与率低下は，翻ってSGSにおける圧力項の寄与増加を示唆している．申請者の既往研究から，流体のらせん運動効果と圧力項は密接に関係している．したがって，本研究結果は乱流中におけるらせん渦構造効果を紐解く試金石となったと言える．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 3: Progress in research has been slightly delayed. Reason 本年度はモデル開発を完了し，得られた成果を抵抗低減などの制御へと展開する計画であった．しかしながら本年度は，昨年度構築したチャネル乱流の直接数値計算のデータベースを用いた解析を主軸で行ったため，制御への展開をするに至らなかった．また解析においては，サブグリッドスケール(SGS)応力が解像スケールの乱流におよぼす寄与に関してチャネルに平行な断面に対するスペクトル解析を行うプログラムを構築することに注力した．スペクトル解析は近年，乱流における多スケールの相互作用を解析するツールとして応用が進んでいるが，SGS応力に関してスペクトル解析を試みた例は極めて少ない．したがって，本研究課題を遂行する上で，こうした解析コードの開発は優先されるべき業務であると判断し，解析を進めた次第である．さらには昨年度構築したデータベースに加えて，さらにReynolds数の大きな条件の数値計算も実行した．これは研究成果の普遍性を検証するために重要であると考えている．研究計画には新規モデルの提案も含まれていたが，これも途上段階である．これは本年度の研究成果の意義を主張する際に，モデル表現の仮定などの恣意的な要素を削減した方がより成果が明確になるという意図があったためである．したがって，成果発表においては既往モデルの検証にとどめている．しかしながら既往のモデルの問題点や物理的性格も発見できたなど，新規モデルを構築する上での重要な基盤は構築できている．前述の通り本研究成果は恣意的な仮定を減らして得られたものであり，従来の研究よりも普遍的な議論をすることに成功している．すなわち，研究計画に記載した通りの実施状況とは異なっているものの，研究課題周辺の基礎的な知見を充実させることには大きく貢献しており，本研究課題のみならず他の関連研究にも敷衍できる成果が得られていると考えている．
Strategy for Future Research Activity	前年度までの研究は，計画通りのものとはなっていないものの，サブグリッドスケール(SGS)モデリングに関して新たな知見を与える成果が得られている．これを受けて本年度は，本研究課題のもう一つの目標である制御への展開を試みる．本研究課題のねらいは，乱流抵抗低減を目的とした従来の制御手法にはなかったらせん渦構造に着目する点である．このような制御手法は，チャネル乱流においては既往研究で多く用いられる吹き出し・吸い込み型の境界条件に，壁面水平方向速度を付与するのみである．チャネル乱流の数値計算コードは開発済みであるため，制御を取り入れた研究へと拡張することは容易である．申請者の強みは，スペクトル空間における乱流応力収支に関して詳細な解析手法が開発済みであることである．したがって，制御を用いて得られた結果に関して物理的により詳細な解析を可能とする準備は整っている．さらには，申請者がこれまで行ってきたSGSモデリングの知見も応用可能である．すなわち，制御によって得られた乱流場にフィルター操作を適用することで，制御によって強く影響を受けたスケールや，その相互作用の詳細をSGS応力の形で表現する解析が可能である．こうした知見は従来の乱流制御研究にはあまり例がなく，申請者のオリジナリティが高い研究となるであろう．本年度はこうした新規制御手法を実行しその成果を国内学会で発表する．また，これまで開発してきた解析コードを用いて得られた結果に基づいて論文を執筆し投稿することが目標である．さらに，昨年度までに得られた成果は現在論文を投稿中であるため，その受理に向けて成果の検討を重ねる．また，昨年度までに得られた成果に関しては国際会議にて発表する予定である．