Control of turbulence by additives: principles in terms of the hierarchy of coherent structures
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20H02068
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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 | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (40321616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
犬伏 正信 東京理科大学, 理学部第一部応用数学科, 准教授 (20821698)
大槻 道夫 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (30456751)
本告 遊太郎 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20906911)
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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 |
¥17,680,000 (Direct Cost: ¥13,600,000、Indirect Cost: ¥4,080,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000)
Fiscal Year 2020: ¥6,760,000 (Direct Cost: ¥5,200,000、Indirect Cost: ¥1,560,000)
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| Keywords | 乱流 / 乱流変調 / 秩序構造 / 数値シミュレーション / 室内実験 / 制御 / 添加物 |
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| Outline of Research at the Start |
添加物（剛体あるいは弾性体粒子、高分子、界面活性剤等）による乱流の促進や抑制の仕組みを統一的に解明することを目的とする。着眼点は、乱流中に普遍的に存在する秩序構造の階層である。つまり、秩序構造を制御すれば乱流を制御できると考え、これを立証するための混相乱流の数値シミュレーションと室内実験を複数の異なる境界条件下で実行するとともに、粗視化分子動力学法により分子の添加が乱流の秩序構造に影響を与える仕組みも明らかにする。研究の最終目標は、添加物による乱流制御の明確な指針を示すとともに、得られた知見を基に添加物を含む乱流の連続体シミュレーションを可能とする理論体系を構築することである。
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| Outline of Annual Research Achievements |
数値シミュレーション研究に関しては、ほぼ計画通りに遂行できた。（１）まず、剛体粒子の添加による乱流変調現象に関しては、周期境界条件下の一様乱流に対して添加する粒子のパラメタ（大きさや質量密度など）を系統的に変えた数値シミュレーションを多数回実行し、球形の剛体粒子群が乱流の強度を低減する条件を明らかにした。得られた結果は、従来までの室内実験や数値シミュレーションの結果とも整合する。（２）この研究を発展させて、弾性体粒子を添加することによる乱流変調現象に関する数値シミュレーションにも着手した。その結果、乱流中の秩序渦と弾性体粒子との相互作用に関する興味深い現象を見出した。（３）乱流変調現象ではないが（間接的に関係する研究として）、任意の質量密度をもつ微小な固体粒子が十分に発達した乱流中でクラスタを形成する条件を理論的に導き、これを公表した。提案した理論を非一様乱流（平行平板間乱流等）へも適用する研究にも着手した。（４）界面活性剤や高分子等の添加による乱流変調現象に関しても興味深い結果を得た。具体的には、散逸粒子動力学法を用いた数値シミュレーションに基づき、界面活性剤水溶液のせん断流中における界面活性剤のミセル構造の挙動に関する詳しい解析を行った。その結果、界面活性剤のミセルがせん断流の影響を受けて配向あるいは分裂する条件、およびそれらの現象が水溶液のレオロジーに与える影響を明らかにした。
一方で、実験研究に関する本年度の実績は以下の通りである。（１）固体粒子の添加による乱流制御に関する室内実験では、円柱状の剛体粒子を渦流れに添加した場合の興味深い現象を見出したが、現象の系統的な理解には至らなかった。（２）また、分子の添加による乱流変調現象の解明に向けた室内実験のために回流水槽を設計、製作した。しかし、下の項目に述べる理由で、系統的な実験はできなかった。
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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
上の項目で述べたように、数値シミュレーション研究に関しては、おおむね計画通りに研究を進めることができたが、実験研究については、新型コロナウィルス対策のための大阪大学の活動基準の影響（学生の登校や新規実験の立ち上げの制限）もあり、計画からはやや遅れている。
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| Strategy for Future Research Activity |
固体（剛体や弾性体）粒子と流体との相互作用に関する数値シミュレーション研究に関しては、数値シミュレーションプログラムの開発も順調に進んでいるので、計算資源の確保を確実に行い、来年度以降も研究を強力に進めたい。さらに、二流体の混相乱流についても数値シミュレーションプログラムが完成したので、関連する研究に着手する計画である。さらに、分子の添加による乱流変調現象に関しても順調であるので、計画通りに研究を進めれば、良い成果が見込まれる。室内実験に関しては、2021年4月に着任した本告遊太郎助教を新たに研究分担者に追加することで、研究の遂行を加速する。
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Report
(1 results)
Research Products
(32 results)
