2013 Fiscal Year Annual Research Report
マルチスケール/フラクタル励起乱流の構造解明とその革新的工学機器への応用
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25289030
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
長田 孝二 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (50274501)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 博貴 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (10626873)
寺島 修 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (50570751)
酒井 康彦 名古屋大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20162274)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 乱流 / スカラー / 混合 / ミキサー |
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| Research Abstract |
当初の研究計画通り，平成25年度は以下の研究を行った．
①水路を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造の実験的解明：時系列粒子画像流速計(TR-PIV)と平面誘起蛍光法(PLIF)を用いてフラクタル格子乱流場の速度場と濃度場の同時計測を行った．同時計測でなければ得られない瞬時速度と瞬時濃度の積の時間平均である乱流フラックス等を計測し，従来の正方格子乱流の場合と比較した．その結果，フラクタル格子乱流中ではスカラー混合が著しく促進されることが明らかとなった．
②風洞を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造の実験的解明：フラクタル格子を形成する格段の格子の役割を明確にするため，風洞内に1段のみ，1段と2段のみのフラクタル格子構成要素を設置し，各種乱流統計量を評価した．結果を4段のフラクタル格子に対する結果と比較した．特に，非平衡乱流域における散逸定数とレイノルズ数の関係に及ぼす格子形状の影響について考察を行った．
③三次元直接数値計算(DNS)による“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造の数値的解明：フラクタル格子を形成する最大の四角格子のみにより生成される乱流のDNSを行い，フラクタル格子乱流場との比較を行った．実験では評価が困難な統計量，例えば圧力を含む乱流統計量や速度こう配の第二および第三不変量の相関（Q－Rダイアグラム）を調べた．さらに，フラクタル格子乱流の基本的特徴が最大四角格子により生成される乱流で特徴づけられ，フラクタル格子を構成する第2段よりも小さな格子は格子近傍の運動量の効率的な拡散に寄与することを明らかにした．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の研究計画通りに研究が進んでおり，「研究実績の概要」で示した①～③の研究においてそれぞれ重要な結果が得られた．特に，風洞実験結果とDNS結果の一部（単一の四角格子により生成される乱流の特性）は流体力学分野の一流国際誌であるPhysics of Fluidsに掲載された（Nagata et al., 2013; Zhou et al. 2014）ことからも，得られた結果が世界的にみて高水準にあることが客観的に判断される．また，上記以外にも風洞実験で重要な結果が得られたので，現在同雑誌に投稿を準備中（現在査読中）である．以上より，研究はおおむね順調に進展していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画に基づき，次年度は以下の研究を行う．
①水路を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造の実験的解明：時系列粒子画像流速計(TR-PIV)と平面誘起蛍光法(PLIF)による速度と濃度の同時計測を継続する．種々の速度―濃度結合統計量を評価することにより，マルチスケール/フラクタル励起乱流中でのスカラ輸送機構を明らかにする．
②風洞を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造の実験的解明：平成25年度の継続実験を行う．特に，乱れエネルギ収支式に現れる各項を実測することにより，マルチスケール励起による乱流生成とエネルギ輸送機構を明らかにする．また，非平衡乱流についてさらに詳細な検討を行う．
③三次元直接数値計算(DNS)による“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の数値的解明：平成25年度のDNSを発展させ，フラクタル格子と同様の遮蔽率を有する正方格子乱流場に対するDNSも実行する．特に，ヘリシティの評価による流れ場の空間発展構造（速度場と渦渡場の詳細な検討）を明らかにする．さらに，これらの格子乱流中におけるスカラ混合機構も明らかにする．
④“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の工学的応用に関する研究：マルチスケール/フラクタル励起乱流の工学的応用技術の一つとして燃焼器で用いられているバーナに着目する．実際のバーナで用いられている，噴流と旋回流の複合場を計算できる数値計算コードを開発する．また，同様の実験装置を設計・製作する．実験にはTR-PIVとPLIFを用い，流れ場と混合の様子を明らかにする．
課題としては，初年度に行ったステレオPIVによる三成分速度計測において，スパン方向の計測精度がよくなかったことがあげられる．較正の精度を上げることによってこれを解決したい．
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
次年度使用額が生じたものの，当初の研究計画通りに研究はスムーズに進行した．これは当初予定していたスーパコンピュータ使用料金等が節約できたこと等によるものである．また，熱線流速計や熱線プローブ等，自作できるものは極力自作することで研究費を抑制することができた．
次年度はフラクタル格子の工学的応用技術の１つとして，燃焼器のバーナー内でみられる噴流／旋回流複合乱流を模擬する水槽を製作する予定であるので，その費用に充てる．また，成果を国際会議で発表するための旅費としても使用する．既に，2014年9月にSheffield（英国）およびBertinoro（イタリア）で開催されるワークショップの招待講演としてフラクタル格子乱流に関する講演をすることが決まっているので，研究費の一部はその旅費としても使用する．その他，実験に必要な消耗品の購入に充てる．
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[Presentation] Applications for Fractal Grids; Mixers2013
Author(s)
K. Nagata, Y. Sakai, H. Suzuki, Y. Ito, O. Terashima, T. Watanabe, T. Inaba and Y. Zhou
Organizer
MULTISOLVE Training Module 1
Place of Presentation
Imperial College London, London, UK
Year and Date
20130923-20130926
Invited
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