2015 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 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), 教授 (50274501)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
鈴木 博貴 山口大学, 理工学研究科, 助教 (10626873)
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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| Outline of Annual Research Achievements |
①水路を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の構造とスカラ輸送機構の実験的解明：水路の断面を拡大する装置改良を行うことで乱流スカラー混合現象に及ぼす側壁の影響を軽減させ，インペリアルカレッジの研究グループが数値計算結果から提案した“Space-Scale Unfolding (SSU) mechanism”の実験的検証を行った．その結果，SSUメカニズムは大小異なる太さの格子（棒）の空間的な配置とスカラー混合位置に依存して機構が異な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”の実験的解明：大小異なる２つの格子幅を有する“マルチスケール格子”４種類を新たに設計・製作して実験を行った．その結果，大スケール格子に小スケールの格子を不均一に配置した場合にフラクタル格子乱流と類似した特性を有する乱流を生成することが明らかとなった．さらに，フラクタル格子に関して，段数が増えるほど乱流の非平衡性領域が拡大することが明らかとなった．
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”の数値的解明：フラクタル格子を構成する要素の一つである単一四角格子乱流場に対する直接数値計算を実行し，非平衡性が現れる格子近傍での乱流構造の解明を行った．ヘリシティに着目して解析を行った結果，この領域では二次元のシート状構造から3次元構造に遷移することが明らかになった．さらに，エンストロフィまたは散逸率が高い場所においては，速度ベクトルと渦度ベクトルが沿うように現れることが明らかになった．
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：前年度と同様，微粉炭燃焼器のバーナに着目し，噴流と旋回流の複合場を計算した．特に，乱流/非乱流界面特性の調査と固有値解析を行った．また，同様の場に対応するPIV計測を行い，モード解析を行った．
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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．特筆すべき事項として，International Conference on Jets, Wakes, and Separated Flowsのプレセミナーの招待講演として格子乱流の近傍領域におけるスカラー混合について講演発表を行った．また，格子乱流近傍の非平衡乱流場を詳細に解析した研究結果は流体力学分野の一流国際誌であるPhysics of Fluidsをはじめとする有名国際誌に複数掲載された（Y. Zhou, K. Nagata他, Physics of Fluids, Vol. 28(2016), 025113, Y. Zhou, K. Nagata他, Physics of Fluids, Vol. 27(2015), 075107, Y. Zhou, K. Nagata他, Fluid Dynamics Research, Vol 48(2016), 021404.）．加えて，マルチスケール格子乱流に関する風洞実験結果をまとめたものを近日Physics of Fluidsに投稿予定である．また，マルチスケール／フラクタル励起乱流”の工学的応用に関しても直接数値計算による解析とPIV計測を続行中である．今年度は新しい解析手法も導入して検討を行った．ノズル近傍にフラクタル格子を設置することはスペースの問題上構造が小さくなりすぎて問題があったが，風洞実験により構造が単純な２スケール格子でフラクタル格子乱流を再現できることが明らかとなったので，より実用的となった．
以上を鑑み，研究は当初の計画通りに順調に進展していると判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
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”の構造とスカラ輸送機構の実験的解明：平成27年度の実験でSSUメカニズムは大小異なる太さの格子（棒）の空間的な配置に依存して機構が異なることが明らかとなったので，それらを変化させた実験を行う．特に，格子前後での圧力損失を評価し，格子の圧力損失をも考慮した混合性能評価を行う．
②風洞を用いた“マルチスケール/フラクタル励起乱流”の実験的解明：平成27年度の実験で大きな格子と不均一に配置された小さな格子が強い非平衡性を生み出すことが明らかとなった．そこで，今後は，この配置がなぜ強い非平衡性を生み出すかを明らかにする．さらに，非平衡乱流場における散逸係数のモデル化を行う．従来のモデルと比較し，どの程度違いがあるかに関する定量的考察を行う．
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：主流が加速あるいは減速される際の非定常な乱流場に関する直接数値計算を実行し，主流の非定常性と乱流場の非平衡性との関連を明らかにする．また，同様のLESも実行し，高レイノルズ数非定常非平衡乱流特性を明らかにする．
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：平成27年度に引き続き，微粉炭燃焼器で用いられているバーナに着目し，噴流と旋回流の複合場に関する直接数値計算と実験を行う．DNSでは実験計測が難しい乱流・非乱流特性をさらに詳細に調査し，実験ではダイナミックモード分解（DMC)と呼ばれるモード解析を行い，それらに及ぼす格子乱流の影響を明らかにする．
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