化学反応を伴う液相乱流に関する研究

• 研究課題/領域番号: 13J02531
• 研究種目: 特別研究員奨励費
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 国内
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 名古屋大学
• 研究代表者: 渡邉 智昭 名古屋大学, 工学研究科, 特別研究員(PD)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2015年度)
• 配分額: 3,600千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 600千円); 2015年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2014年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円); 2013年度: 1,000千円 (直接経費: 1,000千円)
• キーワード: 乱流 / 化学反応 / 流体工学 / 混合

研究実績の概要

本研究は，(1)液相乱流における微小スケールの濃度拡散場および化学反応場の特性の解明と，(2)確率密度関数法に基づく反応性乱流に対する数値計算手法の構築を目的として行われている．以下に，本年度の研究の進捗について述べる．
研究目的(1)に関して，液相乱流中の物質拡散では拡散物質の分子拡散係数が小さく，乱流場と拡散場の構造の最小スケールに大きな差が生じる．そこで，自由せん断流れにおける物質拡散の直接数値計算 (DNS) を様々な分子拡散係数に対して行い，物質拡散場の分子拡散係数に対する依存性について調査した．その結果，乱流による流体の取り込みに伴う物質輸送において，乱流・非乱流領域間の界面層領域における乱流特性が重要となることが明らかとなった．また，界面層領域を通過する流体の運動の特性は界面内の位置によって大きく変化し，界面外層領域では粘性による渦拡散が，界面内層領域では小スケールの渦構造が取り込まれる流体の運動を支配することがわかった．また，様々な分子拡散係数に対して噴流拡散場のImplicit Large Eddy Simulation (LES) を行い，実験やDNSとの比較からImplicit LESの有効性を示した．
研究目的(2)において，計算粒子による反応場の計算とLESによる流れ場の計算を組み合わせた反応性乱流場の数値計算手法を提案した．この計算手法では，分子拡散の効果を適切にモデル化することが重要となる．そこで，空間的に分布する粒子群の相互作用を基にした分子拡散モデルを提案し，同モデルを用いた計算粒子とLESによる反応性乱流場の数値計算手法を噴流や格子乱流中の反応場へ適用した．計算結果を既存の実験結果などと比較することで，本計算手法により，様々な分子拡散係数に対して反応場の統計的特性を精度よく予測できることを実証した．

現在までの達成度 (段落)

27年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

27年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Large eddy simulation study of turbulent kinetic energy and scalar variance budgets and turbulent/non-turbulent interface in planar jets (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito
  • 雑誌名: Fluid Dynamics Research 巻: 48 号: 2 ページ: 21407-21407
  • DOI: 10.1088/0169-5983/48/2/021407
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Lagrangian properties of the entrainment across turbulent/non-turbulent interface layers (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, C. B. da Silva, Y. Sakai, K. Nagata, T. Hayase
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 28 号: 3 ページ: 031701-031701
  • DOI: 10.1063/1.4942959
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] LES-Lagrangian-particles-simulation of turbulent reactive flows at high Sc number using approximate deconvolution model (2016)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, K. Nagata
  • 雑誌名: AIChE Journal 巻: Online 号: 8 ページ: 1-11
  • DOI: 10.1002/aic.15261
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conditional statistics in a planar liquid jet with a second-order chemical reaction (2015)
  • 著者名/発表者名: Tomoaki Watanabe, Yasuhiko Sakai, Kouji Nagata, Osamu Terashima, and Takashi Kubo
  • 雑誌名: International Journal of Heat and Mass Transfer 巻: 83 ページ: 768-780
  • DOI: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2014.12.008
  • 査読あり
• [雑誌論文] LES-Lagrangian particle method for turbulent reactive flows based on the approximate deconvolution model and mixing model (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
  • 雑誌名: Journal of Computational Physics 巻: 294 ページ: 127-148
  • DOI: 10.1016/j.jcp.2015.03.038
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Turbulent mixing of passive scalar near turbulent and non-turbulent interface in mixing layers (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, T. Hayase
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 27 号: 8 ページ: 085109-085109
  • DOI: 10.1063/1.4928199
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 反応を伴う液相二次元噴流の乱流･非乱流界面近傍での速度･濃度統計量に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁
  • 雑誌名: 日本流体力学会誌 ながれ 巻: 33 ページ: 493-498
  • オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Mixing and chemical reaction at high Schmidt number near turbulent/nonturbulent interface in planar liquid jet (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, T. Naito, Y. Sakai, K. Nagata, and Y. Ito
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 27 号: 3 ページ: 035114-035114
  • DOI: 10.1063/1.4915510
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] 反応を伴う液相二次元噴流における乱流・非乱流界面近傍の条件付統計量 (2014)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 80 号: 816 ページ: FE0228-FE0228
  • DOI: 10.1299/transjsme.2014fe0228
  • NAID: 130004684659
  • ISSN: 2187-9761
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Turbulent Schmidt number and eddy diffusivity change with a chemical reaction (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, and O. Terashima
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 754 ページ: 98-121
  • DOI: 10.1017/jfm.2014.387
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Experimental study on the reaction rate of a second-order chemical reaction in a planar liquid jet (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, and O. Terashima
  • 雑誌名: AIChE Journal 巻: 60 号: 11 ページ: 3969-3988
  • DOI: 10.1002/aic.14610
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Wavelet analysis of coherent vorticity near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 26 号: 9 ページ: 095105-095105
  • DOI: 10.1063/1.4896298
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Vortex stretching and compression near the turbulent/nonturbulent interface in a planar jet (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 758 ページ: 754-785
  • DOI: 10.1017/jfm.2014.559
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Concentration measurement in a planar liquid jet with a chemical reaction by using the improved concentration measurement system based on the light absorption spectrometric method (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, and Y. Ito
  • 雑誌名: Journal of Fluid Science and Technology 巻: 9 号: 3 ページ: JFST0041-JFST0041
  • DOI: 10.1299/jfst.2014jfst0041
  • NAID: 130004695310
  • ISSN: 1880-5558
  • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Enstrophy and passive scalar transport near the turbulent/non-turbulent interface in a turbulent planar jet flow (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 26 号: 10 ページ: 105103-105103
  • DOI: 10.1063/1.4898208
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Reactive scalar field near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet with a second-order chemical reaction (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 雑誌名: Physics of Fluids 巻: 26 号: 10 ページ: 105111-105111
  • DOI: 10.1063/1.4900403
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] DNSによる反応性物質濃度の乱流シュミット数・乱流拡散係数に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修, 伊藤靖仁, 早瀬敏幸
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集 巻: 80巻809号
  • NAID: 130005004857
  • 査読あり
• [雑誌論文] 乱流・非乱流界面近傍の反応場に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁, 寺島修
  • 雑誌名: 日本機械学会ニューズレター流れ 巻: 2014年1月号
• [雑誌論文] Joint Statistics between Velocity and Reactive Scalar in a Turbulent Liquid Jet with a Chemical Reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, and O. Terashima
  • 雑誌名: Physica Scripta 巻: T155 ページ: 140391-8
  • DOI: 10.1088/0031-8949/2013/t155/014039
  • 査読あり
• [雑誌論文] Visualization of Turbulent Reactive Jet by Using Direct Numerical Simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, H. Suzuki, T. Hayase, and Y. Ito
  • 雑誌名: International Journal of Modeling, Simulation, and Scientific Computing 巻: 4 号: supp01 ページ: 1341001-1341001
  • DOI: 10.1142/s1793962313410018
  • 査読あり
• [雑誌論文] Conditional Statistics of Reactive Concentrations in a Planar Liquid Jet (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagat a, O. Terashima, H. Suzuki, T. Havase, and Y. Ito
  • 雑誌名: Proceedings of The 4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows 巻: CD-ROM
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improvement of a Spatial Resolution of Concentration Measurement System based on the Light Absorption Spectrometric Method (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Naito, T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, and Y. Ito
  • 雑誌名: Proceedings of The 4th International Conference on Jets. Wakes and Separated Flows 巻: CD-ROM
  • 査読あり
• [雑誌論文] DNS-PDF Simulation of Turbulent Mixing in a Reactive Planar Jet (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagat a, O. Terashima, Y. Ito, and T. Hayase
  • 雑誌名: Asiasim2013 巻: 402 ページ: 445-452
  • DOI: 10.1007/978-3-642-45037-2_49
  • ISBN: 9783642450365, 9783642450372
  • 査読あり
• [雑誌論文] 化学反応を伴う液相噴流中の条件付統計量 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修, 久保貴
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 806 ページ: 2053-2065
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2053
  • NAID: 130003386307
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] 反応性液相二次元噴流中のスカラ散逸率（Conditional Moment Closure方程式の実験的評価） (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修, 久保貴
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 806 ページ: 2066-2076
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2066
  • NAID: 130003386308
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] 直接数値計算法と確率密度関数法による反応性二次元噴流の数値計算 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修, 伊藤靖仁, 早瀬敏幸
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 807 ページ: 2434-2445
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2434
  • NAID: 130003386340
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] 反応性乱流拡散場における乱流拡散係数と乱流シュミット数 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 807 ページ: 2424-2433
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2424
  • NAID: 130003386339
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [雑誌論文] 液相噴流中で生じる化学反応の反応速度に関する実験的研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邊智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修
  • 雑誌名: 日本機械学会論文集Ｂ編 巻: 79 号: 808 ページ: 2691-2703
  • DOI: 10.1299/kikaib.79.2691
  • NAID: 130003386378
  • ISSN: 0387-5016, 1884-8346
  • 査読あり
• [学会発表] Characteristics of turbulent/non-turbulent interfaces in wakes in stably-stratified fluids (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, J. J. Riley, S. M. de Bruyn Kops, P. J. Diamessis, Q. Zhou
  • 学会等名: 68th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: Boston
  • 年月日: 2015-11-22
  • 国際学会
• [学会発表] Investigation of Non-equilibrium Turbulence and Its Application to Flow Control (2015)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, K. Iwano, T. Hayase, T. Watanabe, Y. Zhou
  • 学会等名: 15th International Symposium on Advanced Fluid Information
  • 発表場所: Sendai
  • 年月日: 2015-10-29
  • 国際学会
• [学会発表] Relation between enstrophy production and geometry near the turbulent/non-turbulent interface in free shear flows (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, C. B. da Silva, Y. Sakai, K. Nagata
  • 学会等名: 15th European Turbulence Conference
  • 発表場所: Dleft
  • 年月日: 2015-08-25
  • 国際学会
• [学会発表] On the dynamics of turbulent/non-turbulence interfaces in stably-stratified fluids (2015)
  • 著者名/発表者名: J. J. Riley, T. Watanabe, S. M. de Bruyn Kops, P. J. Diamessis
  • 学会等名: Workshop on Fundamental Aspects of Geophysical Turbulence II
  • 発表場所: Boulder,
  • 年月日: 2015-08-05
  • 国際学会
• [学会発表] 化学反応を伴う高Sc数乱流噴流拡散場に関する研究 (2015)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁, 岩野耕治
  • 学会等名: 日本機械学会東海支部 第64期総会・講演会
  • 発表場所: 中部大学
  • 年月日: 2015-03-13
• [学会発表] Effect of free stream turbulence on the entrainment characteristics of jets (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, C. B. da Silva, Y. Sakai, and K. Nagata
  • 学会等名: 67th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: San Francisco, California
  • 年月日: 2014-11-23
• [学会発表] Direct and large eddy simulations of grid turbulence (2014)
  • 著者名/発表者名: K. Nagata, Y. Zhou, T. Watanabe, Y. Sakai, and Y. Ito
  • 学会等名: JSPS Supported Meeting on Interscale Transfers and Flow Topology in Equilibrium and Nonequilibrium Turbulence
  • 発表場所: Sheffield, UK
  • 年月日: 2014-09-16
  • 招待講演
• [学会発表] Non-equilibrium transport of enstrophy and scalar near the turbulent/non-turbulent interface in a planar jet (2014)
  • 著者名/発表者名: Y. Sakai, T. Watanabe, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 学会等名: JSPS Supported Meeting on Interscale Transfers and Flow Topology in Equilibrium and Nonequilibrium Turbulence
  • 発表場所: Sheffield, UK
  • 年月日: 2014-09-15
  • 招待講演
• [学会発表] 反応を伴う液相二次元噴流の乱流非乱流界面近傍での速度・濃度統計量に関する研究 (2014)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2014
  • 発表場所: 東北大学
  • 年月日: 2014-09-06
• [学会発表] Implicit large eddy simulation of a scalar mixing layer in fractal-grid generated turbulence (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, Y. Ito, and T. Hayase
  • 学会等名: Turbulent Mixing and Beyond 2014
  • 発表場所: Trieste, Italy
  • 年月日: 2014-08-05
• [学会発表] Characteristics of Turbulent/Non-turbulent Interface in a Turbulent Planar Jet with a Chemical Reaction (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, Y. Ito, and T. Hayase
  • 学会等名: American Physical Society 66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics
  • 発表場所: David L. Lawrence Convention Center, Pittsburgh, USA
  • 年月日: 2013-11-26
• [学会発表] 反応を伴う液相二次元噴流の乱流・非乱流界面近傍の濃度統計量に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 内藤尭啓, 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁, 寺島修
  • 学会等名: 日本機械学会第91期流体工学部門講演会
  • 発表場所: 九州大学伊都キャンパス
  • 年月日: 2013-11-09
• [学会発表] DNSによる二次元噴流中の反応性物質の乱流拡散係数に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁, 寺島修, 早瀬敏幸.
  • 学会等名: 日本流体力学会 年会2013
  • 発表場所: 東京農工大学小金井キャンパス
  • 年月日: 2013-09-13
• [学会発表] 化学反応を伴う液相噴流における濃度の条件付統計量に関する研究 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 寺島修, 久保貴
  • 学会等名: 日本機械学会2013年度年次大会
  • 発表場所: 岡山大学津島キャンパス
  • 年月日: 2013-09-11
• [学会発表] Experimental Investigation of Eddy Diffusivity in a Reactive Liquid Jet (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima., and Y. Ito
  • 学会等名: European Turbulence Conference 14
  • 発表場所: ENS Lyon, France
  • 年月日: 2013-09-01
• [学会発表] DNSによる化学反応を伴う二次元噴流の可視化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 渡邉智昭, 酒井康彦, 長田孝二, 伊藤靖仁, 寺島修, 鈴木博貴, 早瀬敏幸
  • 学会等名: 第41回可視化情報シンポジウム
  • 発表場所: 工学院大学新宿キャンパス
  • 年月日: 2013-07-16
• [学会発表] Scalar Transfer Across a Turbulent/Non-turbulent Interface in a Planar Jet (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Watanabe, Y. Sakai, K. Nagata, O. Terashima, Y. Ito, and T. Hayase
  • 学会等名: American Physical Society 66th Annual Meeting of the APS Division of Fluid Dynamics (Gallery of Fluid Motion)
  • 発表場所: David L. Lawrence Conve ntion Center, Pittsburgh, USA
• [備考] 噴流中で生じる化学反応による生成物質濃度の可視化
  • URL: https://www.youtube.com/watch?v=lz8scuQjn6s&feature=youtu.be