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環状流路内の亜臨界遷移流れの大規模直接数値解析:現象解明から熱交換器応用まで

研究課題

研究課題/領域番号 14J07477
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
研究機関東京理科大学

研究代表者

石田 貴大  東京理科大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)

研究期間 (年度) 2014-04-25 – 2017-03-31
研究課題ステータス 完了 (2016年度)
配分額 *注記
2,900千円 (直接経費: 2,900千円)
2016年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2015年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2014年度: 1,100千円 (直接経費: 1,100千円)
キーワード直接数値計算 / 二重円管内環状流 / 亜臨界遷移 / 大規模秩序構造 / 乱流 / 環状流 / 大規模乱流構造 / 乱流熱伝達 / 直接数値解析
研究実績の概要

スーパーコンピュータを利用して,二重円管内環状流れの大規模直接数値解析を行い,乱流と層流との境界である遷移レイノルズ数域において遷移域特有の秩序構造発生の有無を調査した.特に内円筒半径割る外円筒半径で定義される円筒比依存性の調査を行うことで流動系に依存しない遷移現象の統一的な理解を目的として研究結果を得た.これにより,遷移域で層流と乱流状態が共存する層流乱流パターンが発生することを明らかにし,円筒比に依存してパターンの形状が変化することを明らかにした.円筒比が小さい場合,円管内流れで観察されるパフに類似した流れ方向に局在化した一次元的構造が発生,反対に大きい場合には,平面間流れで生じる乱流の縞状構造と同様の二次元的構造である螺旋乱流が発生することを明らかにした.また,中程度の円筒比では,パフと螺旋乱流の特徴を同時に有する螺旋パフが発生することで極限同士を繋げることを明らかにした.
発展的解析として,遷移現象の差異及び変化原因を明らかにするため,新規解析・評価手法の導入を行った.パターン発生時の小規模及び大規模スケールの乱流構造を分類することで,パターン形状の変化は周方向二次流れの有無によって特徴付けられることを明らかにした.また,流動状態の特徴モードを抽出することで,異なるパターンの特徴を明確にし,パターン形状の変化は円筒比のみでなくレイノルズ数にも依存して変化することを示した.これによりレイノルズ数及び円筒比に依存した遷移現象の変化を定量的に捉えることに成功した.
実験可能なパラメータ(レイノルズ数・円筒比)を増やすため,円筒直径を小さくした大型実験装置を新設した.また,新規実験装置は縦置きにすることで可視化用フレーク粒子が沈殿する問題の解決を行い,数値解析での結果をより明確にするため,可視化実験を行い,幅広いパラメータ領域でのパターン発生の有無の調査を行った.

現在までの達成度 (段落)

28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

28年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(3件)
  • 2016 実績報告書
  • 2015 実績報告書
  • 2014 実績報告書
  • 研究成果

    (28件)

すべて 2017 2016 2015 2014 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 1件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (20件) (うち国際学会 7件)

  • [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(Sweden)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [国際共同研究] LIMSI(France)

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [国際共同研究] KTH Royal Institute of Technology(Sweden)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [国際共同研究] LIMSI(France)

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [雑誌論文] Friction factor of annular Poiseuille flow in a transitional regime2017

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara
    • 雑誌名

      Advances in Mechanical Engineering

      巻: 9 号: 1

    • DOI

      10.1177/1687814016683358

    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Transitional structures in annular Poiseuille flow depending on radius ratio2016

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ishida, Duguet Yohann, and Takahiro Tsukahara
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Mechanics

      巻: R2

    • DOI

      10.1017/jfm.2016.192

    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Effects of spanwise system rotation on turbulent stripes in a plane Poiseuille flow2015

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Yasuo Kawaguchi
    • 雑誌名

      Journal of Turbulence

      巻: Vol. 3 号: 3 ページ: 273-289

    • DOI

      10.1080/14685248.2014.984067

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [雑誌論文] Large-scale structure alternation in rotating plane Poiseuille flow at transitional Reynolds number2014

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Yasuo Kawaguchi
    • 雑誌名

      Applied Thermal Engineering

      巻: Vol. 72 号: 1 ページ: 70-81

    • DOI

      10.1016/j.applthermaleng.2013.12.029

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] DNSによる遷移域スライディング・クエット流の乱流間欠率に関する研究2017

    • 著者名/発表者名
      國井 康平,石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 環状流における周方向大規模流れに起因した遷移構造の変化2017

    • 著者名/発表者名
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 下臨界レイノルズ数付近における乱流斑点から帯への成長に関する研究2017

    • 著者名/発表者名
      猪岡 翔,石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本機械学会関東支部第23期総会・講演会
    • 発表場所
      東京理科大学葛飾キャンパス(東京都,葛飾区)
    • 年月日
      2017-03-16
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 粗面クエット流において発生する様々な準秩序構造2016

    • 著者名/発表者名
      石田 貴大,Geert Brethouwer,Yohann Duguet,塚原 隆裕
    • 学会等名
      第94期日本機械学会流体工学部門講演会
    • 発表場所
      山口大学工学部(山口県,宇部市)
    • 年月日
      2016-11-12
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 乱流斑点の帯状成長に注目した下臨界レイノルズ数の確率論的研究2016

    • 著者名/発表者名
      猪岡 翔,石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2016
    • 発表場所
      名古屋工業大学御器所キャンパス(愛知県,名古屋市)
    • 年月日
      2016-09-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 遷移域スライディング・クエット流の局在乱流構造と統計量に及ぼす壁面曲率の影響2016

    • 著者名/発表者名
      國井 康平,石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2016
    • 発表場所
      名古屋工業大学御器所キャンパス(愛知県,名古屋市)
    • 年月日
      2016-09-26
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] Investigating the lower critical Reynolds number focusing on the turbulent spot and stripe at plane channel flow2016

    • 著者名/発表者名
      Takahiro Ishida, Takahiro Tsukahara, and Sho Inooka
    • 学会等名
      11th Euromech Fluid Mechanics Conference
    • 発表場所
      Seville (Spain)
    • 年月日
      2016-09-12
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Helical turbulence and puff in transitional sliding Couette flow2016

    • 著者名/発表者名
      Kohei Kunii, Takahiro Ishida, and Takahiro Tsukahara
    • 学会等名
      24th International Congress of Theoretical Applied Mechanics
    • 発表場所
      Montreal (Canada)
    • 年月日
      2016-08-21
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 粘弾性流体の回転平面クエット流におけるロールセル変調2016

    • 著者名/発表者名
      塚原 隆裕,石田 貴大,戸倉 彰太
    • 学会等名
      第44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(東京都新宿区)
    • 年月日
      2016-07-19
    • 関連する報告書
      2016 実績報告書
  • [学会発表] 粘弾性流体の回転平面クエット流に関するDNS解析:ロールセル不安定性の変化2015

    • 著者名/発表者名
      戸倉 彰太,石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      第29回数値流体力学シンポジウム
    • 発表場所
      九州大学(福岡県)
    • 年月日
      2015-12-15
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: Numerical study on heat transfer2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • 学会等名
      5th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
    • 発表場所
      Busan, Korea
    • 年月日
      2015-11-22
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 二重円管内乱流の亜臨界遷移に関する直接数値シミュレーション2015

    • 著者名/発表者名
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      第93期日本機械学会流体工学部門講演会
    • 発表場所
      東京理科大学(東京都)
    • 年月日
      2015-11-07
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] 平面ポアズイユ流の亜臨界遷移における下臨界レイノルズ数2015

    • 著者名/発表者名
      塚原 隆裕,石田 貴大
    • 学会等名
      日本流体力学会年会
    • 発表場所
      東京工業大学(東京都)
    • 年月日
      2015-09-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
  • [学会発表] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: effect of radius ratio on structures2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • 学会等名
      15th EUROMECH European Turbulence Conference
    • 発表場所
      Delft, Netherlands
    • 年月日
      2015-08-25
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: Direct numerical simulation of a large domain2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2015
    • 発表場所
      Seoul, Korea
    • 年月日
      2015-07-26
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Turbulent annular pipe flow in subcritical transition regime: occurrence of helical turbulent band2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • 学会等名
      6th International Symposium on Bifurcations and Instabilities in Fluid Dynamics
    • 発表場所
      Paris, France
    • 年月日
      2015-07-15
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Numerical investigation of high rotation effects on laminar flow in rotating plane Couette flow2015

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida, H. Tatematsu, and T. Tsukahara
    • 学会等名
      19th International Couette-Taylor Workshop
    • 発表場所
      Cottbus, Germany
    • 年月日
      2015-06-22
    • 関連する報告書
      2015 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Critical Reynolds number for global instability of channel flow in subcritical scenario2014

    • 著者名/発表者名
      T. Ishida and T. Tsukahara
    • 学会等名
      67th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamic
    • 発表場所
      Moscone Center, San Francisco, CA, USA
    • 年月日
      2014-11-23 – 2014-11-25
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] チャネル流における乱流斑点成長の下臨界レイノルズ数の調査2014

    • 著者名/発表者名
      石田 貴大,塚原 隆裕
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2014
    • 発表場所
      東北大学川内キャンパス(仙台市)
    • 年月日
      2014-09-15 – 2014-09-17
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
  • [学会発表] The lower bound of subcritical transition in plane Poiseuille flow2014

    • 著者名/発表者名
      T. Tsukahara and T. Ishida
    • 学会等名
      Euromech Colloquium EC565 on Subcritical Transition to Turbulence
    • 発表場所
      IESC Cargese, Corsica, France
    • 年月日
      2014-05-06 – 2014-05-09
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書

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公開日: 2015-01-22   更新日: 2024-03-26  

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