雲乱流統計理論の応用による混相流における乱流変調の解明
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20H02066
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
齋藤 泉 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (70798602)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邊 威 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30345946)
後藤 俊幸 慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター(日吉), 訪問教授 (70162154)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2021: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 混相流 / 乱流変調 / 乱流統計理論 / 乱流・粒子間相互作用 / 雲乱流 / 大規模シミュレーション |
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| Outline of Research at the Start |
本研究の目的は、火山噴火による鉱物ダストの分散や自動車エンジン内における液体燃料の燃焼など、工学や環境問題を含む様々な場面において重要な、微小な粒子群と周囲の流れ場の相互作用を解明することにある。粒子群と周囲の流れ場は、凝縮・蒸発や摩擦抵抗、熱輸送を通じて複雑に影響を及ぼしあっているが、これらの相互作用は（質量や運動量、熱などの）物理的な保存量の交換とみなすことで、確率微分方程式に基づく統一的でシンプルな理論解析を適用することができる。大規模数値シミュレーションの結果と組み合わせることで、乱流強度の変調や粒子群の輸送の特徴を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は以下の2項目の研究を進めた。
乱流と微小粒子群の相互作用は粒子サイズ、数密度、運動量慣性・熱慣性、乱流渦のサイズ等に依存して複雑に変化するために、基本的なメカニズムの理解が妨げられてきた。本年度はまず第一歩として、流体粒子として運動し、熱慣性を持ち、熱輸送のみを通じて周囲の流体と相互作用する単純化されたシステムを考えて調査した。この場合、雲乱流研究における統計モデルを自然に応用でき、微小粒子群による流体温度場の揺らぎの変調を、ダムケラ数と呼ばれる無次元パラメータの関数として解析的に予言することができる。熱慣性を持つ微小粒子群の乱流輸送に関する大規模直接数値シミュレーションを実施し、微小粒子群による流体温度場の揺らぎ強度の変調が、統計モデルの予測と良く一致することを確認した。これにより、雲乱流研究における統計モデルが本研究でも有効に機能することが明らかになった。本研究成果は英文査読誌に投稿され，現在修正中である．
エディ・ホッピングモデルは、雲環境内における微小水滴の凝縮成長に対する乱流の影響を取り入れるために考案された統計モデルである。本研究では、これまでの乱流・粒子間相互作用のシミュレーション研究の結果を土台として、エディ・ホッピングモデルの理論解を導出することに成功した。この理論解を用いることで、モデル予測がレファレンスデータとより良く一致するような修正を提案し、また元々は2変数のモデルであったものを1変数に縮約する手法を提案した。これらの修正により、モデルの精度向上および計算コストの減少に貢献することが期待される。本研究成果は英文査読誌に投稿され、現在修正中である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
熱輸送を通じた相互作用について、単純化されたモデルながら、雲乱流統計理論による予測を正確に応用できることが分かった。また、雲乱流分野において用いられている統計モデルの改良版を提案することができ、第一原理に近い立場から乱流モデルや雲モデルの検証・改良に貢献するという、本研究の目標の達成に向けて道筋を付けられたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの微小粒子群による乱流変調の研究においては、乱流流れの強度（乱流運動エネルギーや温度揺らぎの分散など）の変調が主に調べられてきた。しかしながら、変調を受けるのは乱流流れの強度だけではない。例えば、乱流流れの時間相関（自己相関関数や自己相関時間など）も、強度と同様に微小粒子群によって変調される。時間相関の変調は雲乱流分野における統計モデルにも考慮されているが、直接数値シミュレーションなどによる検証は未だ不十分である。そこで今後は、微小粒子群による乱流流れの強度の変調だけでなく、時間相関の変調についても調べていくことを研究方針とする。
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Report
(1 results)
Research Products
(9 results)
