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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

Research Project

Project/Area Number 20H02066
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (B)

Allocation TypeSingle-year Grants
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionNagoya Institute of Technology

Principal Investigator

齋藤 泉  名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70798602)

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)
Project Period (FY) 2020-04-01 – 2024-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥8,060,000 (Direct Cost: ¥6,200,000、Indirect Cost: ¥1,860,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,820,000 (Direct Cost: ¥1,400,000、Indirect Cost: ¥420,000)
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)
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
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。

Outline of Annual Research Achievements

本年度は、まず前年度に査読付英文誌に提出中であった論文の修正のために、追加の調査を行った。第一に、熱慣性を持つ粒子群による周囲の流体温度場の変調についての研究では、粒子が運動量慣性を持ち、クラスタリング効果などが生じる場合であっても、流体温度場のゆらぎの分散などの統計量は大きな影響を受けず、運動量慣性が無い場合を想定して開発した統計モデル(ランジュバンモデルに基づく)で良く説明できることが明らかになった。この追加調査を含めて、査読付英文誌に掲載された。第二に、エディ・ホッピングモデルの理論解およびモデル縮約の研究については、本研究で提案した縮約モデルと従来のモデルの比較を追加で行った。その結果、ラージエディシミュレーションなどで想定されるパラメータ領域では、縮約モデルは従来モデルとほぼ同じ結果を出すことが明らかになった。これにより、縮約モデルの利便性が確認された。この追加調査を含めて、査読付英文誌に掲載された。
次に、ラグランジュ描像に基づくスカラー乱流の問題に取り組んだ。まずは格子点数256の3乗以下の比較的小規模な計算を行った。その結果、スカラー分散スペクトルにおける-1の傾きなど、シミュレーション結果が乱流統計理論の予言とよく整合することが確認できている。これらの成果を論文にまとめ、英文査読誌に投稿する予定である。
また、微小粒子群による過飽和度場の時間相関の変調についての研究では、Lanotte らの先行研究を参考にして、雲乱流コードの単純化・効率化を行った。即ち、温度と水蒸気混合比の2つのスカラー場を、過飽和度の1つのスカラー場に縮約すること、また雨粒群の凝縮・蒸発による過飽和度場へのフィードバック効果を、水滴の平均半径に基づく時間スケールによる過飽和度場の緩和として表現するなどした。これによりシミュレーションが効率化され、大規模・長時間の計算の準備が整った。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

前年度から取り組んでいた研究を査読付英文誌に掲載することができ、また次に行う調査で用いるプログラムが概ね完成し、小規模な計算でのデータが蓄積するなど、今後の研究の準備も予定通りに進んでいるため。

Strategy for Future Research Activity

前年度の研究により準備したプログラムを土台として、ラグランジュ描像に基づくスカラー乱流の問題および、微小粒子群による過飽和度場の時間相関の変調についての研究を進めていく。

Report

(2 results)
  • 2021 Annual Research Report
  • 2020 Annual Research Report

Research Products

(27 results)

All 2022 2021 2020

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 3 results) Presentation (22 results) (of which Int'l Joint Research: 8 results,  Invited: 4 results) Funded Workshop (1 results)

  • [Journal Article] Modulation of fluid temperature fluctuations by particles in turbulence2021

    • Author(s)
      I. Saito, T. Watanabe, T. Gotoh
    • Journal Title

      J. Fluid Mech.

      Volume: 931

    • DOI

      10.1017/jfm.2021.939

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Statistical properties of a stochastic model of eddy hopping2021

    • Author(s)
      I. Saito, T. Watanabe, T. Gotoh
    • Journal Title

      Atmos. Chem. Phys.

      Volume: 21 Issue: 17 Pages: 13119-13130

    • DOI

      10.5194/acp-21-13119-2021

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Spectra of supersaturation and liquid water content in cloud turbulence2021

    • Author(s)
      T. Gotoh, I. Saito, T. Watanabe
    • Journal Title

      Phys. Rev. Fluids

      Volume: 6 Issue: 11 Pages: 110512-110512

    • DOI

      10.1103/physrevfluids.6.110512

    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Peclet-number dependence of small-scale anisotropy of passive scalar fluctuations under a uniform mean gradient in isotropic turbulence2020

    • Author(s)
      Yasuda Tatsuya、Gotoh Toshiyuki、Watanabe Takeshi、Saito Izumi
    • Journal Title

      Journal of Fluid Mechanics

      Volume: 898

    • DOI

      10.1017/jfm.2020.419

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed
  • [Presentation] On the behavior of microbubbles in isotropic turbulence2022

    • Author(s)
      Hiroya Hamazaki、Takeshi Watanabe、Izumi Saito、Toshiyuki Gotoh
    • Organizer
      4th International Workshop on Cloud Turbulence
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Statistical properties of supersaturation fluctuations in cloud turbulence2022

    • Author(s)
      Toshiyuki Gotoh、Izumi Saito、Takeshi Watanabe
    • Organizer
      4th International Workshop on Cloud Turbulence
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 回転二重円筒管内における熱対流の大規模シミュレーション2022

    • Author(s)
      濱口拓真、齋藤泉、後藤俊幸、渡邊威
    • Organizer
      東京大学大気海洋研究所共同利用研究集会「地球流体におけるさまざまな流れとその基本過程の力学」
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 雲乱流シミュレータによる乱流混合輸送と雲マイクロ物理過程の解明2021

    • Author(s)
      後藤俊幸、渡邊威、齋藤泉
    • Organizer
      第8回 HPCIシステム利用研究課題 成果報告会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Spectra of Supersaturation and Liquid Water Content in Cloud Turbulence2021

    • Author(s)
      Toshiyuki Gotoh、Izumi Saito、Takeshi Watanabe
    • Organizer
      Eighteenth International Conference on Flow Dynamics
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Zonostrophy invariant and its relation to pattern formation in CHM turbulence2021

    • Author(s)
      Izumi Saito
    • Organizer
      5th Asia Pacific Conference on Plasma Physics (AAPPS-DPP2021)
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 乱流中のマイクロバブルの挙動の可視化2021

    • Author(s)
      濱崎博也、渡邊威、齋藤泉、後藤俊幸
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 雲乱流における過飽和度と雲水混合比のスペクトル2021

    • Author(s)
      後藤俊幸、齋藤泉、渡邊威
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 乱流中における熱慣性粒子群による流体温度ゆらぎ場の変調2021

    • Author(s)
      齋藤泉、渡邊威、後藤俊幸
    • Organizer
      日本流体力学会 年会2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] スカラーおよびベクトル場の乱流輸送に関する大規模シミュレーション2021

    • Author(s)
      渡邊威、後藤俊幸、齋藤泉
    • Organizer
      プラズマシミュレータシンポジウム2021
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 摩擦抵抗および熱輸送による乱流・粒子間相互作用についてのシミュレーション研究2021

    • Author(s)
      齋藤泉、渡邊威、後藤俊幸、草野完也
    • Organizer
      2020年度(令和2年度)名古屋大学HPC計算科学連携研究プロジェクト成果報告会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] 多粒子分散系の乱流輸送に関する大規模シミュレーション2021

    • Author(s)
      渡邊威、後藤俊幸、齋藤泉、田中良夫、吉野正人、三浦英昭、大島聡史
    • Organizer
      JHPCN第13回シンポジウム
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] Turbulence modulation by small particles in isotropic turbulence2021

    • Author(s)
      Takeshi Watanabe、Izumi Saito、Toshiyuki Gotoh
    • Organizer
      RIMS Workshop on Mathematical Analysis in Fluid and Gas Dynamics
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] エディ・ホッピングモデルの解析解を利用したモデル修正の提案2021

    • Author(s)
      齋藤泉、後藤俊幸、渡邊威
    • Organizer
      日本気象学会2021年度春季大会
    • Related Report
      2021 Annual Research Report
  • [Presentation] エディ・ホッピングモデルの解析解に基づくモデル修正の提案2021

    • Author(s)
      齋藤泉, 後藤俊幸, 渡邊威
    • Organizer
      2020年度エアロゾル・雲・降水の相互作用に関する研究会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 雲粒粒径分布の雲乱流統計理論と雲乱流チャンバー実験との直接比較2020

    • Author(s)
      齋藤泉, 後藤俊幸, 渡邊威
    • Organizer
      日本気象学会2020年度春季大会
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 等方乱流に輸送される一様平均スカラー勾配下の大規模スカラー変動2020

    • Author(s)
      安田達哉, 後藤俊幸, 渡邊威, 齋藤泉
    • Organizer
      日本流体力学会年会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 雲乱流環境内において形成される雲粒粒径分布の理論予測の実験による検証2020

    • Author(s)
      齋藤泉, 後藤俊幸, 渡邊威, 安田達哉
    • Organizer
      日本流体力学会年会2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] Numerical simulation of cloud droplets and turbulence2020

    • Author(s)
      Toshiyuki Gotoh, Izumi Saito, Takeshi Watanabe, Tatsuya Yasuda
    • Organizer
      73rd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Schmidt-number dependence of scalar fluxes and spectra in isotropic turbulence with a mean scalar gradient2020

    • Author(s)
      Tatsuya Yasuda, Toshiyuki Gotoh, Takeshi Watanabe, Izumi Saito
    • Organizer
      73rd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Modulation of fluid temperature fluctuations by particles in turbulence2020

    • Author(s)
      Izumi Saito, Takeshi Watanabe, Toshiyuki Gotoh
    • Organizer
      73rd Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 慣性粒子群の乱流変調に関する新しい時間スケール2020

    • Author(s)
      齋藤泉, 渡邊威, 後藤俊幸
    • Organizer
      第34回数値流体シンポジウム
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Funded Workshop] 4th International Workshop on Cloud Turbulence2022

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      2021 Annual Research Report

URL: 

Published: 2020-04-28   Modified: 2023-07-19  

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