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粒子混入による乱流変調機構については、近年のLDVの開発・応用により定性的な傾向については明らかになってきている。しかしながら、定量的に明らかになったことといえば、粒子径と乱流との長さスケールの比率に関する乱流抑制と増幅の敷居値程度であり、予測手法に援用し得るような実験データは皆無である。また、粒子混入の影響を導入した数値計算等も実施されているが、乱れの抑制増幅を表示し得るような機構的なモデルは提案されていない。
粒子と乱流の相互作用は平均流動の変化を介した間接的な相互作用と直接的な相互作用に分類できると考えられる。両者の影響が混在する流動では粒子乱流の相互作用を定量化することが困難になる。本研究でではこのような状況に鑑み、粒子と乱流の直接的な相互作用を抽出するために、振動格子乱流中に固体粒子を一様に沈降させて、乱流変調機構を検討することを試みた。
水理実験を実施して、振動格子乱流は乱流拡散と乱流エネルギーの散逸が釣り合う場であることから、平均せん断の存在しない乱流場においても、既往の実験結果と同様な乱流の抑制増幅の変調が生じることを確認した。振動格子乱流の積分長さスケールをL_eと粒径をdとして、概ねd/L_e=0.1が乱流強度の増幅抑制の敷居値となることが確認され、既往の実験結果の傾向と一致した。また、粒子の混入は乱れの異方性の増加に貢献することがわかった。Parthasarathyら の理論を基礎として粒子混入の影響を表示した付加項を提案した。レイノルズ応力モデルによる数値計算により実験結果の傾向を良好に再現した。
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