遷移および乱流境界層の再層流化に関する研究

• 研究課題/領域番号: 13650963
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 航空宇宙工学
• 研究機関: 東京都立科学技術大学
• 研究代表者: 淺井 雅人 東京都立科学技術大学, 工学部, 教授 (00117988)
• 研究期間 (年度): 2001 – 2003
• 研究課題ステータス: 完了 (2003年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,600千円); 2003年度: 500千円 (直接経費: 500千円); 2002年度: 500千円 (直接経費: 500千円); 2001年度: 2,600千円 (直接経費: 2,600千円)
• キーワード: 境界層 / 乱流遷移 / ストリーク構造 / ストリーク不安定 / 乱流構造 / 境界層吸込み / 境界層吸い込み

研究概要

本研究は,境界層遷移や境界層の再層流化に関する基礎研究であり,内容は2つに大別される.一つは,境界層吸込み後の準層流の再遷移であり,他方は壁乱流の生成維持の鍵を握る壁近傍ストリーク構造の不安定である.それぞれについて主な成果を以下にまとめる.
乱流境界層に局所的に壁面から吸込みを行えば壁近くのストリーク構造が消失し,吸込み領域下流では新たに層流境界層が発達する.吸込み領域下流では残留乱流渦は下流に減衰してゆくが,その過程で流れ方向に長く伸びた低速ストリークが代数的過渡増幅を受ける.発生する低速ストリークの間隔は,吸込み強さに関わらず元の乱流境界層のストリーク間隔と大きな違いは無く,同じスケールのストリーク構造が再生成されるという興味ある結果が得られた.ただし,ストリーク構造の成長は,レイノルズ数に依存し,ある敷居値以下のレイノルズ数(運動量厚さに基づくレイノルズ数で200以下)では低速ストリークが十分発達する前に撹乱源である残留乱流渦(縦渦)の減衰が進みストリーク不安定が起きず再生成過程は中断する.
ストリーク不安定に関する研究では,層流境界層中に編み変の抵抗を利用して人工的に周期低速ストリークを生成し,まず低速ストリークの線形不安定特性が調べられた.次に,ストリーク不安定の始まりから壁乱流を支配する縦渦が生れ,さらに壁乱流の壁法則が現れるまでを追跡した.ストリーク不安定による低速ストリークの崩壊が進んだ段階になると平均速度場も壁乱流の壁法則へ近づくことが明らかにされた.

研究成果

• [文献書誌] 浅井 雅人: "壁面吸込みによる平板上境界層の再層流化と再遷移"日本機械学会論文集B. 68・668. 1016-1021 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Masahito Asai: "Development of the Streaky Structure in a Boundary Layer Disturbed by Turbulent Fluctuations"Proceedings of International Symposium on Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 25-36 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Yasufumi Konishi: "Experimental investigation of the instability of slaminar low-speed streaks"Proc. 9^<th> Asian Congress of Fluid Mechanics. 43 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 浅井 雅人: "乱流変動を伴う境界層における壁近傍ストリーク構造の発生と成長"航空宇宙技術研究所特別資料. 56. 45-49 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Masahito Asai: "The Instability and Breakdown of a Near-Wall Low-Speed Streak"Journal of Fluid Mechanics. 455. 289-314 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 小西 康郁: "層流境界層中の周期低速ストリークの不安定性に関する実験的研究"日本機械学会論文集B. 69・683. 1615-1620 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Yasufumi Konishi: "Experimental investigation of the instability of spanwise-periodic low-speed streaks"Fluid Dynamics Research. (印刷中). (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 小西 康郁: "周期低速ストリークの乱流変動に対する応答"日本機械学会論文集B. 70・690. 319-324 (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 神部勉: "ながれの事典"丸善. 824 (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 日野幹雄: "スペクトル解析ハンドブック"朝倉書店. 723 (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Asai, M., Hoshi, T., Tabei, K.: "Retransition of flat-plate boundary layers laminarized by suction (in Japanese)"Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers B. 68. 1016-1021 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Asai, M., Minagawa, M., Nishioka, M.: "The Instability and breakdown of a near-wall low-speed streak"Journal of Fluid Mech.. 455. 289-314 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Konishi, Y., Asai, M.: "Experimental investigation of the instability of spanwise-periodic low-speed streaks"Fluid Dynamics Research. (in press). (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Konishi, Y., Asai, M.: "Experimental investigation of the instability of spanwise-periodic low-speed streaks in a laminar boundary layer (in Japanese)"Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers B. 69. 1615-1620 (2003)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Konishi, Y., Asai, M., Oizumi Y.: "Response of spanwise-periodic low-speeed streaks to turbulent fluctuations (in Japanese)"Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers B. 70. 319-314 (2004)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Asai, M., Tabei, K., Konishi, Y.: "Development of the streaky structure in a boundary layer disturbed by turbulent fluctuations"Proc.Int.Symposium on Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 25-36 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Asai, M.Minagawa: "Experimental Investigation of Instability of Near-Wall Streaky Structure (in Japanese)"Experimental Investigation of Instability of Near-Wall Streaky Structure (in Japanese). 25-36 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Asai, M., Tabei, K., Konishi, Y.: "Appearance and growth of near-wall low-speed streaks in a boundary layer subjected to turbulent fluctuations (in Japanese)"NAL. SP-56. 45-48 (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Konishi, Y., Asai, M.: "Experimental investigation of the instability of laminar low-speed streaks"Proc.9^<th> Asian Congress Fluid Mechanics. (CDROM). (2002)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] 小西 康郁: "層流境界層中の周期低速ストリークの不安定性に関する実験的研究"日本機械学会論文集B. 69・683. 1615-1620 (2003)
• [文献書誌] Yasufumi Konishi: "Experimental investigation of the instability of spanwise-periodic low-speed streaks"Fluid Dynamics Research. (印刷中). (2004)
• [文献書誌] 小西 康郁: "周期低速ストリークの乱流変動に対する応答"日本機械学会論文集B. 70・690. 319-324 (2004)
• [文献書誌] 神部勉: "ながれの事典"丸善. 824 (2004)
• [文献書誌] 日野幹雄: "スペクトル解析ハンドブック"朝倉書店. 723 (2004)
• [文献書誌] 浅井 雅人: "壁面吸込みによる平板上境界層の再層流化と再遷移"日本機械学会論文集B. 68・668. 1016-1021 (2002)
• [文献書誌] Yasufumi Konishi: "Experimental investigation of the instability of low-speed streaks"Proceedings of 9^<th> Asian Congress of Fluid Mechanics. 42 (2002)
• [文献書誌] Masahito Asai: Proceedings of International Symposium on Dynamics and Statistics of Coherent Structures in Turbulence : Roles of Elementary Vortices. 25-36 (2002)
• [文献書誌] 小西 康郁: "ストリーク不安定のモード選択性に関する実験的研究"数理解析研究所講究録. 1285. 100-105 (2002)
• [文献書誌] Naoto Saitoh: "Development of localized disturbances from an oscillating point source in compressible boundary layers"Transactions of Japan Society for Aeronautical and Space Sciences. 45・150. 211-216 (2003)
• [文献書誌] Masahito Asai: "The instability and breakdown of a near-wall low-speed streak"Journal of Fluid Mechanics. 455. 289-314 (2002)
• [文献書誌] 高井 知奈: "翼端渦と平面壁の干渉に関する実験的研究"日本流体力学会誌. 20・6. 501-504 (2001)
• [文献書誌] 浅井 雅人: "乱流変動を伴う境界層における壁近傍ストリーク構造の発生と成長"航空宇宙技術研究所特別資料. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] 浅井 雅人: "壁面吸込みによる平板上境界層の再層硫化と再遷移"日本機械学会論文集B. (印刷中). (2002)
• [文献書誌] Yasufumi Konishi: "Experimental investigation of the instability of low-speed streaks"Proceedings of 9^<th> Asian Congress of Fluid Mechanics. (in press). (2002)