徹底的な４次元解析による壁乱流の動力学と統計の解明

• 研究課題/領域番号: 16H04268
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 流体工学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (40321616)
• 研究期間 (年度): 2016-04-01 – 2020-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2019年度)
• 配分額: 16,900千円 (直接経費: 13,000千円、間接経費: 3,900千円); 2019年度: 3,770千円 (直接経費: 2,900千円、間接経費: 870千円); 2018年度: 5,070千円 (直接経費: 3,900千円、間接経費: 1,170千円); 2017年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円); 2016年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
• キーワード: 乱流 / 秩序構造 / 渦 / 数値シミュレーション / ４次元解析 / エネルギーカスケード

研究成果の概要

発達した乱流は大小様々な渦の階層からなる。本研究課題では、様々な種類の乱流の大規模数値シミュレーションを実行し、得られたデータの時系列解析（４次元解析）を徹底的に行うことで、乱流中の渦の階層の実態を明らかにするとともに、この階層構造の維持機構を解明した。具体的には、壁から離れた領域における小さな渦はより大きなの渦による渦伸長により維持され、この過程を通じて、大きな渦から小さな渦へとエネルギーが伝達することを確かめた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

乱流は我々の身のまわりにありふれた流れである。したがって、乱流現象を予測あるいは制御することは、我々の生活に深く関わる種々のシステムで重要な課題である。ところが、乱流はその複雑さ故に、その維持機構といった基本的な性質でさえよく理解されていない。本研究課題では、スーパーコンピュータを用いた乱流の徹底的な解析を通じて、乱流の維持機構の詳細を「秩序構造の階層」に着目することで解明した。得られた描像は物理的にも明快であり、乱流の予測や制御に向けた今後の展開が期待できる。

研究成果

• [国際共同研究] ラフバラー大学(英国)
• [国際共同研究] ジョンズ・ホプキンズ大学(米国)
• [国際共同研究] オンタリオ工科大学(カナダ)
• [国際共同研究] チューリッヒ工科大学(スイス)
• [国際共同研究] リール大学(フランス)
• [国際共同研究] インペリアルカレッジ(英国)
• [国際共同研究] ジョンズ・ホプキンズ大学/ハーバード大学(米国)
• [国際共同研究] オンタリオ工科大学(カナダ)
• [国際共同研究] チューリッヒ工科大学(スイス)
• [国際共同研究] インペリアルカレッジ(英国)
• [国際共同研究] オンタリオ工科大学(カナダ)
• [国際共同研究] インペリアルカレッジ(英国)
• [国際共同研究] オンタリオ工科大学(カナダ)
• [雑誌論文] Formation of power-law scalings of spectra and multiscale coherent structures in the near-field of grid-generated turbulence (2020)
  • 著者名/発表者名: Tatsuya Yasuda, Susumu Goto, John Christos Vassilicos
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 5 号: 1 ページ: 014601-014601
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.5.014601
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Scale-dependent enstrophy production rates in a turbulent boundary layer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Motoori, Susumu Goto
  • 雑誌名: Journal of Fluid Science and Technology 巻: 14 号: 3 ページ: JFST0016-JFST0016
  • DOI: 10.1299/jfst.2019jfst0016
  • NAID: 130007769236
  • ISSN: 1880-5558
  • 査読あり
• [雑誌論文] Transferring Reservoir Computing: Formulation and Application to Fluid Physics (2019)
  • 著者名/発表者名: Inubushi Masanobu、Goto Susumu
  • 雑誌名: Lecture Notes in Computer Science 巻: 11731 ページ: 193-199
  • DOI: 10.1007/978-3-030-30493-5_22
  • ISBN: 9783030304928, 9783030304935
  • 査読あり
• [雑誌論文] 反射性鱗片状粒子による乱流の可視化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 雑誌名: 可視化情報学会誌 巻: 139 ページ: 158-163
  • NAID: 130007920945
• [雑誌論文] Three-dimensional flow structures of turbulence in precessing spheroids (2019)
  • 著者名/発表者名: Komoda Ken、Goto Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 4 号: 1 ページ: 014603-014603
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.4.014603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Generation mechanism of a hierarchy of vortices in a turbulent boundary layer (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Motoori, Susumu Goto
  • 雑誌名: Journal of Fluid Mechanics 巻: 865 ページ: 1085-1109
  • DOI: 10.1017/jfm.2019.76
  • 査読あり
• [雑誌論文] 発達した乱流―エネルギーカスケードをめぐって (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 雑誌名: 日本物理学会誌 巻: 73 ページ: 457-462
  • NAID: 130007610709
  • 査読あり
• [雑誌論文] 壁乱流中の渦の階層 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 雑誌名: ながれ 巻: 37 ページ: 540-543
• [雑誌論文] 添加剤による乱流抑制現象を利用した乱流維持機構の解明 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 雑誌名: 京都大学数理解析研究所講究録 巻: 2097 ページ: 30-39
• [雑誌論文] Impact of a small ellipticity on the sustainability condition of developed turbulence in a precessing spheroid (2018)
  • 著者名/発表者名: Horimoto Yasufumi、Simonet-Davin Gabriel、Katayama Atsushi、Goto Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 3 号: 4
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.3.044603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hierarchy of antiparallel vortex tubes in spatially periodic turbulence at high Reynolds numbers (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, Yuta Saito, Genta Kawahara
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 2 号: 6
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.2.064603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Sustaining mechanism of small-scale turbulent eddies in a precessing sphere (2017)
  • 著者名/発表者名: Horimoto Yasufumi、Goto Susumu
  • 雑誌名: Physical Review Fluids 巻: 2 号: 11
  • DOI: 10.1103/physrevfluids.2.114603
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unsteady turbulence cascades (2016)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, J. C. Vassilicos
  • 雑誌名: Phys. Rev. E 巻: 94 号: 5 ページ: 053108-053108
  • DOI: 10.1103/physreve.94.053108
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Subcritical transition to turbulence in three-dimensional Kolmogorov flow (2016)
  • 著者名/発表者名: Lennaert van Veen, Susumu Goto
  • 雑誌名: Fluid Dynamics Research 巻: 48 号: 6 ページ: 061425-061425
  • DOI: 10.1088/0169-5983/48/6/061425
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] von Karman乱流中の大規模時空間変動とエネルギカスケードの動力学 (2020)
  • 著者名/発表者名: 荒木亮、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第95期定時総会講演会
• [学会発表] 乱流中のエネルギーカスケードと局所平衡仮説の破れ (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: RIMS共同研究（公開型）研究集会『乱流の基礎的相似則の再検討』
  • 招待講演
• [学会発表] Turbulence in Precessing Containers (2019)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, Ken Komoda, Jun Kank
  • 学会等名: Eleventh International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] Generation mechanism of the hierarchy of vortices in wall-bounded turbulence (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Motoori, Susumu Goto
  • 学会等名: Eleventh International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流中の渦の階層構造 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: 第２回先進的ながれ研究会
• [学会発表] 乱流の普遍性に基づく転移学習 (2019)
  • 著者名/発表者名: 犬伏正信、後藤晋
  • 学会等名: 第２回先進的ながれ研究会
• [学会発表] Hierarchy of vortices in a developed turbulent boundary layer (2019)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, Yutaro Motoori
  • 学会等名: 17th European Turbulence Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Cluster of inertial particles and fluid acceleration in turbulence (2019)
  • 著者名/発表者名: Sunao Oka, Susumu Goto
  • 学会等名: 17th European Turbulence Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流中の渦の階層が輸送現象に果たす役割 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、岡温、本告遊太郎
  • 学会等名: 日本機械学会 2019 年度年次大会
• [学会発表] 乱流の普遍性に基づく転移学習：乱流モデリングのためのエネルギー散逸率推定 (2019)
  • 著者名/発表者名: 犬伏正信、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 2019 年度年次大会
• [学会発表] Transferring Reservoir Computing: Formulation and Application to Fluid Physics (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanobu Inubushi, Susumu Goto
  • 学会等名: The 28th International Conference on Artificial Neural Networks
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流中の秩序渦の階層とその維持機構 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、本告遊太郎
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2019
• [学会発表] Transferring reservoir computing: formulation and application to fluid physics (2019)
  • 著者名/発表者名: Masanobu Inubushi, Susumu Goto
  • 学会等名: Deep Learning and Physics 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Large spatial-temporal fluctuation and energy cascade dynamics in von Karman turbulence (2019)
  • 著者名/発表者名: Ryo Araki, Susumu Goto
  • 学会等名: Sixteenth International Conference on Flow
  • 国際学会
• [学会発表] Cluster of inertial particles and fluid acceleration in turbulence at high Reynolds numbers (2019)
  • 著者名/発表者名: Sunao Oka, Susumu Goto
  • 学会等名: Sixteenth International Conference on Flow
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流境界層中の最大スケール渦はヘアピン状である (2019)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 第97期 流体工学部門 講演会
• [学会発表] 円柱状剛体粒子の添加による流れの抑制現象 (2019)
  • 著者名/発表者名: 吉田将人、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 第97期 流体工学部門 講演会
• [学会発表] Energy cascade in turbulent channel flow (2019)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Motoori, Susumu Goto
  • 学会等名: The 65th Workshop on "Investigation and Control of Transition to Turbulence"
  • 国際学会
• [学会発表] リザーバコンピューティングを用いた乱流エネルギー散逸率の予測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、犬伏正信
  • 学会等名: 第33回数値流体力学シンポジウム
• [学会発表] Energy cascade in turbulence (2019)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto
  • 学会等名: The Workshop on Fluid turbulence and Singularities of the Euler/Navier Stokes equations
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 撹拌翼のない撹拌機は作れるか？ (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会関西支部第94期第1回支部専門部会
  • 招待講演
• [学会発表] 機械学習を用いた乱流のエネルギー散逸率の予測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、犬伏正信
  • 学会等名: 日本物理学会 2018年 秋季大会
• [学会発表] 乱流境界層中の渦の階層 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、本告遊太郎
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム2018
• [学会発表] Coherent structures in turbulence and their universality (2018)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto
  • 学会等名: International Conference on APEF 2018
  • 国際学会
• [学会発表] 機械学習による乱流のエネルギー散逸率の空間分布の予測 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、犬伏正信
  • 学会等名: 第32回 数値流体力学シンポジウム
• [学会発表] 乱流境界層中の渦の階層 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: RIMS共同研究集会「乱流と遷移：構造、多重スケール、モデル」
• [学会発表] 壁乱流中の渦の階層 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 大阪大学 豊中キャンパス
• [学会発表] 歳差運動をする容器内に維持される乱流中の大規模構造の容器形状依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 神吉遵、薦田拳、後藤晋
  • 学会等名: 日本流体力学会年会2018
• [学会発表] 乱流境界層中の渦の生成機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [学会発表] 高レイノルズ数の乱流中における慣性粒子群の空間分布の流体加速度場による記述 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡温、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 2018年度年次大会
• [学会発表] 反射性フレークを用いた乱流の可視化の物理機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 栗田朋幸、後藤晋
  • 学会等名: 第46回 可視化情報シンポジウム
• [学会発表] Hierarchy of vortices in wall-bounded turbulence (2018)
  • 著者名/発表者名: Yutaro Motoori, Susumu Goto
  • 学会等名: The 15th International Conference on Flow Dynamics
  • 国際学会
• [学会発表] 乱流中における固体粒子群のクラスタ形成 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡温、後藤晋
  • 学会等名: 鳥取非線形研究会2018
• [学会発表] 反射性フレークによる可視化から得られる乱流場の情報 (2018)
  • 著者名/発表者名: 栗田朋幸、後藤晋
  • 学会等名: 第32回数値流体力学シンポジウム
• [学会発表] 一様乱流中における固体粒子群の空間分布に粒子径の有限性が与える影響 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡温、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 第96期 流体工学部門 講演会
• [学会発表] von Karman乱流中の大規模時空間変動 (2018)
  • 著者名/発表者名: 荒木亮、杉谷優治、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 第96期 流体工学部門 講演会
• [学会発表] 乱流の中の秩序と人工知能 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、犬伏正信
  • 学会等名: 物理インフォマティクス シンポジウム 2018
  • 招待講演
• [学会発表] 歳差運動をする回転楕円体容器内における層流乱流遷移 (2018)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、堀本康文、片山惇、薦田拳
  • 学会等名: 日本物理学会 第73回年次大会
• [学会発表] 歳差運動をする回転楕円体容器内に維持される乱流の直接数値シミュレーション (2018)
  • 著者名/発表者名: 薦田拳、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 平行平板間乱流中の渦の階層 (2018)
  • 著者名/発表者名: 花島啓太、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 歳差運動をする容器内流れの安定性の容器形状依存性 (2018)
  • 著者名/発表者名: 片山惇、堀本康文、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 乱流境界層中の小スケール渦の生成機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 容器の歳差運動により駆動される乱流の維持機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 乱流中の固体粒子群の非一様分布 (2018)
  • 著者名/発表者名: 岡温、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 平行平板間乱流中の粒子のクラスタリング (2018)
  • 著者名/発表者名: 黄智權、本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第93期定時総会講演会
• [学会発表] 乱流境界層中の小スケール渦の生成機構 (2018)
  • 著者名/発表者名: 本告遊太郎、後藤晋
  • 学会等名: 第62回「乱流遷移の解明と制御」研究会
• [学会発表] Statistics of spatially-periodic turbulence driven by steady forces (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, Lennaert van Veen
  • 学会等名: SIAM Conference on Applications of Dynamical Systems (DS17)
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 乱流中における反射性フレークの挙動 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、栗田朋幸
  • 学会等名: 第45回可視化情報シンポジウム
• [学会発表] 定常外力に駆動される乱流の統計性質 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、Lennaert van Veen
  • 学会等名: RIMS共同研究集会「非一様乱流の数理」
• [学会発表] 歳差運動をする回転楕円体容器内に乱流が維持される条件 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、堀本康文、片山惇
  • 学会等名: 2017年度 日本機械学会 年次大会
• [学会発表] 撹拌翼を使わない撹拌技術とその応用 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: 日本機械学会関西支部 第18回秋季技術交流フォーラム
  • 招待講演
• [学会発表] Hierarchy of vortices in turbulence at high Reynolds numbers (2017)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto
  • 学会等名: OIST seminar
• [学会発表] 壁なし乱流の動力学と統計 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: 第１回先進的ながれ研究会
  • 招待講演
• [学会発表] Energy cascade sustaining turbulence in a precessing sphere (2017)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Horimoto, Susumu Goto
  • 学会等名: Tenth International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP10)
  • 国際学会
• [学会発表] 添加剤による乱流抑制現象を利用した乱流維持機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 学会等名: RIMS共同研究集会「非一様乱流の数理」
• [学会発表] 歳差運動をする容器内の定常流の安定性と乱流遷移 (2017)
  • 著者名/発表者名: 片山惇、堀本康文、Simonet Gabriel、後藤晋
  • 学会等名: 日本流体力学会 年会2017
• [学会発表] 粘弾性流体を利用した Newton 流体の乱流維持機構の解明 (2017)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 学会等名: 2017年度 日本機械学会 年次大会
• [学会発表] 周期境界条件下の過渡的乱流 (2017)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、Lennaert van Veen
  • 学会等名: 日本物理学会 第72回年次大会
  • 発表場所: 大阪大学（大阪府・豊中市）
• [学会発表] The sustaining mechanism of turbulence in a precessing sphere (2016)
  • 著者名/発表者名: Susumu Goto, Yasufumi Horimoto
  • 学会等名: International Workshop on Theoretical Aspects of Near-Wall Turbulence Studies
  • 発表場所: 関西セミナーハウス（京都府・京都市）
  • 国際学会
• [学会発表] 矩形管内の過渡的乱流の粒子画像流速測定 (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、武石惠介、甲藤雄大、河原源太
  • 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（東京都・新宿区）
• [学会発表] 希薄な界面活性剤水溶液の乱流のフレークによる可視化 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 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（東京都・新宿区）
• [学会発表] 乱流輸送現象の物理 ～ 数値シミュレーションと室内実験 (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: プラズマ科学のフロンティア 2016 研究会
  • 発表場所: 核融合科学研究所（岐阜県・土岐市）
  • 招待講演
• [学会発表] Experimental study on the energy cascade in turbulence in a precessing sphere (2016)
  • 著者名/発表者名: Yasufumi Horimoto, Susumu Goto
  • 学会等名: RIMS Camp-Style Seminar: Dynamics of wall-bounded shear flows
  • 発表場所: 関西セミナーハウス（京都府・京都市）
  • 国際学会
• [学会発表] 歳差運動をする容器内の乱流の維持機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、堀本康文
  • 学会等名: 第59回「乱流遷移の解明と制御」研究会
  • 発表場所: 北海道科学大学（北海道・札幌市）
• [学会発表] 種々の輸送現象に関する大規模数値シミュレーション (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋
  • 学会等名: プラズマシミュレータシンポジウム 2016
  • 発表場所: 核融合科学研究所（岐阜県・土岐市）
• [学会発表] 歳差運動をする球体内の乱流における小スケール渦の生成機構 (2016)
  • 著者名/発表者名: 堀本康文、後藤晋
  • 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（愛知県・名古屋市）
• [学会発表] 減衰乱流のエネルギー散逸則 (2016)
  • 著者名/発表者名: 後藤晋、J. C. Vassilicos
  • 学会等名: 日本物理学会 2016年 秋季大会
  • 発表場所: 金沢大学（石川県・金沢市）