| 研究課題/領域番号 |
20K14654
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 芝浦工業大学 (2023)
慶應義塾大学 (2020-2022) |
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研究代表者 |
河田 卓也 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (90867087)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2022年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
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| キーワード | 乱流 / 直接数値シミュレーション / 乱流拡散 / 乱流エネルギーカスケード / 非線形多重スケール相互作用 / 壁乱流 / 乱流熱伝達 / 非線形マルチスケール相互作用 / エネルギーカスケード / レイノルズ応力の乱流拡散 / 乱流熱拡散 / 非線形マルチスケール相互干渉 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
乱流では，大小様々な渦がお互いに相互干渉することにより運動量や熱の空間拡散が生じ，物体が流れから受ける摩擦抵抗や熱伝達が著しく増加する．本研究では，スーパーコンピュータによる乱流の大規模シミュレーションにより得られた流れのデータを詳細に解析する事で，上記の「乱流のマルチスケール相互作用」により運動量・熱の空間拡散が生じるメカニズムの解明を目指す．
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| 研究実績の概要 |
前年度の研究で行った平面クエット乱流の大規模数値シミュレーションに基づいた解析において、乱流エネルギースペクトルの輸送方程式中に現れるスケール間輸送項をフーリエモードによって分解し、スケール間の乱流エネルギー輸送に関わる３つの波数の組み合わせを整理した結果、スケール間のエネルギー輸送は、（i）２つの比較的大きな波数における速度変動とそれらの波数の差に相当する比較的小さな波数における速度勾配の相互作用と、（ii）２つの比較的小さな波数における速度変動とそれらの波数の和に相当する比較的大きな波数における速度勾配の相互作用という２種類の相互作用によって生じることが明らかになった。本年度の研究では、昨年度までの研究において比較的低いレイノルズ数領域で行われていた乱流輸送に関する解析を、さらに高レイノルズ数壁乱流へと適用するため、、昨年度までに実施した平面クエット乱流の直接数値シミュレーションよりも高いレイノルズ数における平面クエット乱流のシミュレーションを試みるとともに、基本的な壁乱流よりも複雑な乱流場においても乱流輸送に関する解析を行うため、バックステップ乱流や円柱後流乱流の直接数値シミュレーションの実施に取り組んだ。
平面クエット乱流では、これまでの計算が摩擦レイノルズ数120程度であったのに対し、摩擦レイノルズ数250, 500, 1000程度の計算を試み、それぞれの計算において定常状態に達したことを確認しており、今後はさらに詳しい乱流輸送に関する解析を行う予定である。また、バックステップ乱流や円柱後流乱流に関しても、直接数値シミュレーションを行うためのFourtranコードを作成し、予備計算においてベンチマークと比較して良好な結果を得ており、今後、それぞれの流れにおいて乱流拡散やエネルギーカスケード過程において詳細な解析に取り掛かる基盤を構築することができた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
コロナ禍により参加予定だった国際学会・国内学会がキャンセル・オンライン開催となったことで予定していた予算が一部執行できず、研究補助期間をさらに一年延長したが、これまでの研究活動により、当初の狙い通り乱流のスケール間非線形相互作用により生じるエネルギー輸送・熱輸送に関して詳細な解析を行うことができた他、これまでの研究で確立した解析手法をさらに複雑な乱流場におけるエネルギー・熱輸送現象に適用するべく、バックステップ乱流や円柱後流乱流など、これまでに主に取り組んできた基礎的な壁乱流以外の乱流場のシミュレーションの準備も進めることができた。今後はこのような複雑乱流場における輸送現象のメカニズム解明に向けて有意義な知見が得られると期待できる。
以上の理由により、研究の進捗状況は概ね順調であると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
前年度に行った乱流エネルギーのスケール間輸送に関する詳細な解析を、さらに高レイノルズ数平面クエット乱流や、バックステップ乱流・円柱後流といった、さらにレイノルズ数、産業応用に近い複雑乱流場に適用し、その様な乱流場における乱流輸送メカニズムの解明に取り組む。
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