2015 Fiscal Year Research-status Report
乱流熱物質輸送過程における重ね合わせ原理に基づく現象の解明と予測
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26420143
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
保浦 知也 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00324484)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
服部 博文 名古屋工業大学, 技術部情報解析技術課, 課長 (30467352)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱工学 / 乱流 / 熱物質輸送 / 風洞実験 / 温度変動計測 / 濃度変動計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，はく離・再付着を伴う複雑な強制対流乱流場を，スカラー場の重ね合わせに着目して装置実験と直接数値シミュレーション（DNS）により明らかにすることである。そのために，壁乱流を対象とし，温度場や濃度場などのスカラー場が，速度場に対して受動的とみなせる強制対流場を風洞実験とDNSによりシミュレーションし，その乱流特性を素過程の重ね合わせとして理解することで，複雑な乱流場における熱や物質の移流拡散現象をより普遍的に解明する。本年度は以下の３点について研究を進めた。
（1）温度変動の高精度計測手法の開発： 乱流温度境界層の風洞実験により，応答補償の必要がほとんど無い線径0.6ミクロンの極細抵抗線と適切に応答補償した3.1ミクロンのタングステン線による温度変動の測定結果がほぼ一致し，DNSと遜色の無い高精度な測定結果を得られることが実証された。
（2）2次元丘モデルの風洞実験： 物質拡散の風洞実験では，以前に比較してより小型で応答特性を改善した高速度応答水素炎イオン化検出器（高速FID）を作成し，2次元丘モデルの後方はく離領域内で変動する濃度場の詳細を定量的に明らかにすることができた。
（3）複雑乱流場のDNSによる調査： 温度助走区間を伴う乱流温度境界層，円管内乱流及びＴ型チャネル温度混合場の直接数値シミュレーションを行い，重ね合わせが成立するかどうかを詳細に検討した。また，実験と同様な2次元丘モデルの直接数値シミュレーションを行い，重ね合わせが成立しない浮力を伴う場合についてもデータベースを構築し，その詳細を明らかにすることができた。
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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
温度及び濃度変動を正確に計測することは，複雑な乱流熱物質輸送現象を定量的に予測するための基盤となるデータベースの信頼性を担保する上で非常に重要である。現在までに，温度及び濃度センサの応答を理論的，数値的に解析し，風洞実験での実証がほぼ完了している。今後は，速度変動との同時測定により，乱流熱流束及び乱流物質流束を実験的に明らかにする必要がある。これは，最終年度で計画されており，進行状況としては予定通りである。
風洞実験における測定対象として，種々の温度境界条件を伴う2次元丘モデル周りの複雑乱流場を計画していたが，壁温の挙動に対する材質などの検討が不十分であり，風洞実験に着手するのが遅れている。しかし，複雑乱流場における重ね合わせを実験的に検証するためにも，次年度に実現したいと考えている。
一方，DNSによる調査に関しては，多くの複雑乱流場についてのデータベースを着実に構築できており，重ね合わせの原理を定量的に検討している状況にある。また，これを乱流モデルにより予測する試みもすでに着手している。
以上の理由から，本研究課題は，おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
温度及び濃度変動の高精度計測手法がほぼ確立したので，今後は，最終年度に予定していた風洞実験を進めるとともに，直接数値シミュレーションによる複雑乱流場の解明と乱流モデルによる予測を継続する予定である。具体的には，下記の２つについて進める。
(1) 2次元丘モデルの風洞実験： 種々の壁温条件における乱流温度場及び丘モデルの上流で点源拡散された乱流濃度場を，実験的に計測し，はく離・再付着を伴う乱流場の特性を調べる。特に，速度変動との同時測定を実施し，乱流熱流束及び乱流物質流束を得ることで，重ね合わせに関する特性を定量的に明らかにする。
(2) 直接数値シミュレーションによる複雑乱流場の重ね合わせに基づく現象の調査と乱流モデルによる予測： 装置実験と同様に，はく離・再付着を伴う複雑乱流場の重ね合わせを調査し，異なる境界条件での熱・物質輸送は互いにどのような関連があるのかを明らかにする。また，乱流モデルによる予測について検討し，必要ならば改良を施す。
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| Causes of Carryover |
種々の壁温条件を実現する壁面の再検討のために実験装置の製作が予定よりも遅れているため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
2次元加熱丘モデルの設計・製作とこれを風洞内に設置するための実験装置材料費，加工・製作費に支出する。
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