2016 Fiscal Year Annual Research Report
超臨界流体における熱力学物性・流体非線形相互干渉のダイナミクスと不確かさの定量化
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26709066
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
河合 宗司 東北大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (40608816)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 航空宇宙流体力学 / 数値流体力学 / 流体工学 / 超臨界流体 / 不確かさの定量化 / 乱流境界層 / 実在流体 / DNS |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、前年度に構築した超臨界圧・遷臨界乱流境界層の急激な加熱壁により加熱される空間発展遷臨界平板乱流境界層のDNSデータベースを用いて、4象限解析や乱流構造解析などの詳細解析を実施し、遷臨界乱流境界層特有の急激な密度変動がレイノルズせん断応力に寄与する壁乱流にどのような影響を与えているか明らかにした。現在、本成果をまとめ、国際学術雑誌への投稿論文を執筆中である。また並行して、新たに遷臨界温度条件を徐々にまたぐように徐々に加熱される空間発展超臨界乱流境界層のDNSを実施し、DNSデータベースを構築した。今年度新しく構築した本DNSデータベースより、実験的に計測されている遷臨界条件特有の特異な壁面熱伝達特性を再現し、その流体物理の詳細解析を実施していく。これらのDNSデータベースより、超臨界乱流境界層の内層モデリングにつながる知見が得られると期待している。
超臨界乱流境界層のRANS的内層モデリングでは、構築したDNSデータベースから、遷臨界条件での急激な密度変動がレイノルズ剪断応力に大きな影響を与えることが明らかになっており、通常のRANSモデリングでは無視されているこの密度変動効果をRANS的にどうモデル化するかを考案した。具体的には、kの輸送方程式における質量流束タームを陽的にモデル化するRANSモデルを考案しており、現在DNSと同条件でのRANSモデル解析からその有効性の検証を試みている。また並行して、Kriging理論に基づく不確かさの定量化法の高度化にも取り組んでおり、アダプティブにサンプル点を構築することで、少ないサンプル数で精度良く不確かさを定量的に評価可能な手法の開発に成功した。本成果は、現在、国際学術雑誌に投稿中である。
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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
超臨界圧・遷臨界乱流境界層のDNSデータベースを構築し、その詳細解析から、遷臨界条件特有の急激な密度変動がレイノルズ剪断応力にどのようなメカニズムで影響を与えているかを明らかにした。またそれを基に、実際の液体ロケットエンジン開発で重要となるRANS的内層モデリングを考案した。現在、引き続きDNSデータベースとモデル計算結果の比較をすることでモデルの検証を進めている。また非線形な流体現象に対しても適用可能で、かつ低コストでの不確かさ解析が可能となるKriging理論に基づく不確かさの定量化法を開発した。今年度は、研究成果として国際学術雑誌への投稿論文として投稿中と執筆中の2編があり、今まで明らかになっていなかった流体メカニズムの詳細な理解をベースとしたRANS的モデリングにも見通しがつき、不確かさの定量化手法も確率できたことから、研究達成度はほぼ順調であるとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度新しく構築した遷臨界温度条件を徐々にまたぐように加熱した遷臨界乱流境界層DNSデータベースの解析を進める。またこれまで考慮してこなかった、体積粘性応力が超臨界圧・遷臨界乱流境界層へ与える影響を考慮するDNS解析を世界に先駆けて実施することを考えている。これまでのDNS解析結果より、超臨界圧・遷臨界乱流境界層では体積粘性応力の影響を無視することは適当ではないと考えられるため、新しく構築を予定している本DNSデータベースは、高精度なRANS的モデル構築に向けて不可欠なデータベースになると考えている。並行して、開発中のkの輸送方程式における質量流束タームを陽的にモデル化するRANS的内層モデリングを用いた解析結果とDNSデータとを比較し、その妥当性を検証する。また開発したKriging理論に基づく不確かさの定量化法を用いて、提案するRANS的内層モデルの感度解析や流れの不確かさ要因が、結果に及ぼす影響の評価にも着手することを計画している。
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| Causes of Carryover |
当初計画していた学会発表を来年度に変更したため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
得られた研究成果の学会発表のための旅費として使用する予定である。
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